DE10307454B4

DE10307454B4 - Verfahren zur optischen Inspektion eines Halbleitersubstrats

Info

Publication number: DE10307454B4
Application number: DE10307454A
Authority: DE
Inventors: Detlef Michelsson
Original assignee: Vistec Semiconductor Systems GmbH
Current assignee: KLA Tencor MIE GmbH
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2010-10-28
Anticipated expiration: 2023-02-22
Also published as: WO2004074822A1; US20060176476A1; DE10307454A1; US7417719B2

Abstract

Verfahren zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats (21), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
• Aufnehmen eines Bildes von der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats (21), welches mindestens eine dünne Schicht trägt, und Aufnehmen eines Bildes von mindestens einem Teilbereich der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21), wobei die Bilder eine Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge umfassen, die als Farbwerte bezeichnet werden, wobei die Verhältnisse der Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen zueinander durch schichtdickenabhängige Interferenzeffekte bei der Reflektion des zum Aufnehmen der Bilder verwendeten Lichtes an der mindestens einen dünnen Schicht bestimmt sind;
• Transformieren der Farbwerte in einen Farbraum, der von einer Intensität und von Farbkoordinaten (U, V) aufgespannt wird;
• Berechnen einer ersten Häufigkeitsverteilung (12) von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten (u, v) für jedes aufgenommene Bild;
• Glätten der für jedes aufgenommene Bild berechneten ersten Häufigkeitsverteilung (12);...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats.
Halbleiterbauelemente werden üblicherweise in einer Vielzahl von Prozessschritten hergestellt. Dabei werden wiederholt dünne Schichten auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufgetragen, beispielsweise Fotolackschichten, dünne Metallisierungen oder dielektrische Schichten. Zur Erzielung einer hohen und gleich bleibenden Qualität ist es erforderlich, dass die dünnen Schichten mit konstanter Qualität aufgetragen werden können. In der modernen Halbleitertechnologie werden üblicherweise eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen auf einem einzigen Wafer hergestellt. Einzelne Unterbereiche des Wafers werden mit Hilfe eines Steppers belichtet und der Belichtungsschritt mehrfach wiederholt. Eine gleich bleibende Qualität der Belichtung erfordert eine homogene Oberflächenbeschichtung, insbesondere das Auftragen einer homogenen Fotolackschicht auf den Wafer. Es ist deshalb wünschenswert, die Qualität von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere deren Homogenität, in einfacher Weise beurteilen zu können.
Auf Grund von Interferenzeffekten reflektieren dünne Schichten Licht farbig. Wird die Oberfläche eines mit dünnen Schichten überzogenen Halbleitersubstrats beleuchtet und das reflektierte Licht analysiert, lassen sich deshalb Inhomogenitäten in der Schichtdicke als Farbvarianzen detektieren.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, aus makroskopischen Aufnahmen der Oberfläche eines mit dünnen Schichten überzogenen Halbleitersubstrats Mittelwerte und Streuungen der Farbe zu bestimmen und diese untereinander und mit einem Referenz-Wafer zu vergleichen. Schwankungen in der Helligkeit der Beleuchtung führen jedoch zu Schwankungen in der Helligkeit des reflektierten Lichts, so dass die Mittelwerte für die Farben im RGB-Farbraum grundsätzlich von der Helligkeit abhängen. Außerdem beschreiben Mittelwert und Streuung nur einen Teil der auftretenden Farbveränderungen.
Das Paten US 5 892 241 A offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung womit gestreuter und in unerwünschten Abschnitten vorhandener Resist detektiert werden kann. Ein Inspektionsbereich, der die unerwünschten Abschnitte umfasst, wird mit weißem Licht beleuchtet, um Farbbilder zu erhalten. Der in den unerwünschten Abschnitten befindliche Resist, kann auf der Grundlage des unterschiedlichen Kontrasts der Bilder nachgewiesen werden, die aufgrund der Beleuchtung mit erhalten werden.
Das Patent US 5 802 361 A offenbart ein System und ein Verfahren für das Suchen von Bildern in Videos. Eine Benutzerschnittstelle erlaubt einem Benutzer eine Suchanfrage für bestimmte Bilder zu konstruieren, welche die Bildattribute repräsentieren, die den Bilddaten im Video entsprechen. Die Suchanfrage kann komplexe Boolesche Ausdrücke umfassen. Ein Pegelanalysator analysiert die Suchtanfrage, um die Bildattribute festzustellen, und analysiert die Bilddaten der entsprechenden Seite des Videos, um ein Ähnlichkeitsmaß der Bilder in Bezug auf die Suchanfrage festzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Softwareprogramm und eine Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats zu schaffen, um Prozessfehler beim Aufbringen von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat noch zuverlässiger detektieren zu können.
Dies Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1.
Zur optischen Inspektion der Oberfläche eines mit einer dünnen Schicht versehenen Halbleitersubstrats wird erfindungsgemäß von der Oberfläche des Halbleitersubstrats ein Bild aufgenommen, das aus einer Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge, die als Farbwerte bezeichnet werden, aufgebaut ist, wird aus den Farbwerten durch Transformation in einen Farbraum, der von einer Intensität und von Farbkoordinaten aufgespannt wird, eine Häufigkeitsverteilung von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten berechnet und wird die so berechnete Häufigkeitsverteilung für einen Vergleich mit einer zweiten berechneten Häufigkeitsverteilung oder einer aus dieser abgeleiteten Größe verwendet.
Vorteilhaft ist, dass das Ergebnis des Vergleichs unabhängig von der Intensität des von der Oberfläche des Halbleitersubstrats reflektierten Lichts und somit unabhängig von Beleuchtungsschwankungen ist, weil die Intensität der Bildpunkte bei der Berechnung der Häufigkeitsverteilungen nicht berücksichtigt zu werden braucht. Erfindungsgemäß können deshalb Prozessfehler beim Aufbringen von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat noch zuverlässiger detektiert werden. Durch Prozessfehler können beispielsweise Inhomogenitäten in der Dicke der Schichten entstehen oder Schichten fehlen. Prozessfehler können auch durch Defokussieren beim Belichten des Halbleitersubstrats hervorgerufen werden. Insbesondere kann erfindungsgemäß die Intensität der zur Bildaufnahme verwendeten Beleuchtung verändert werden, beispielsweise zur Auflösung unterschiedlicher Defekte auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, ohne dass sich dies wesentlich auf die berechnete Häufigkeitsverteilung auswirkt. Verschiedene Einfallswinkel können bei der Beleuchtung verwendet werden, sofern der Winkel derselbe ist wie beim Einlernen mit einem Referenz-Wafer.
Ganz besonders bevorzugt sind den Bildpunkten jeweils drei Farbwerte, d. h. Intensitäten bei unterschiedlichen Wellenlängen, zugeordnet und wird der Farbraum von einer Intensität und von zwei Farbkoordinaten aufgespannt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Statt auf 3-dimensionale Räume kann die vorliegende Erfindung vielmehr grundsätzlich auch auf höher-dimensionale Räume Anwendung finden. Beispielsweise können den Bildpunkte auch vier Farbwerte zugeordnet sein.
Zur Bildaufnahme kann ein üblicher Farbbildsensor geeigneter spektraler Empfindlichkeit, beispielsweise eine Farbkamera, Videokamera, ein CCD-Sensor oder eindimensionale Farbzeilen, verwendet werden, um ein digitales Bild, aufgebaut aus Bildpunkten mit zugeordneten Farbwerten, zu erzeugen. Ganz besonders bevorzugt sind den Bildpunkten jeweils RGB-Komponenten zugeordnet, die insgesamt einen dreidimensionalen Raum aufspannen.
Anstelle der RGB-Komponenten können auch Intensitäten bei drei anderen Wellenlängen verwendet werden, die vollständig oder zu einem Teil auch im ultravioletten oder/und infraroten Wellenlängenbereich des Lichtes liegen. Hierfür werden entsprechende „Farb”-Bildsensoren geeigneter spektraler Empfindlichkeit eingesetzt.
Der Farbbildsensor wird je nach den Anforderungen dazu verwendet, um ein makroskopisches Bild der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder eines geeigneten Unterbereichs davon aufzunehmen. Zu diesem Zweck kann der Bildaufnahmebereich des Farbbildsensors auch verändert werden, beispielsweise in Anpassung an die Erfordernisse des jeweils auszuführenden Vergleichs. Der Farbbildsensor kann mit einer geeigneten Abbildungsvorrichtung, beispielsweise Mikroskop, gekoppelt sein.
Die zum Vergleich verwendete zweite Häufigkeitsverteilung kann beispielsweise auf der Gundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines Referenz-Wafers von zufriedenstellender Qualität berechnet und abgespeichert werden. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auch auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines zweiten, beispielsweise aus einer aktuellen Prozesscharge stammenden, Wafers oder eines Teils davon berechnet werden. Ferner kann die zweite Häufigkeitsverteilung auch auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines Bereichs des aktuell zu inspizierenden Wafers berechnet werden. Zudem ist auch der Vergleich der Häufigkeitsverteilung aus den Bildaufnahmen des Referenz-Wafers und des aktuellen Wafers möglich, wodurch gleichzeitig lokale und globale Farbvariationen detektiert werden können. Vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemässe Verfahren sehr flexibel an die jeweiligen Erfordernisse des auszuführenden Vergleichs angepasst werden kann.
Bevorzugt werden die RGB-Komponenten der Bildpunkt-Farbwerte unter Verwendung einer linearen Transformation in den Farbraum transformiert, was Rechenzeit sparen hilft. Außerdem lassen sich so aus dem Vergleich abgeleitete Farbabweichungen oder Farbverschiebungen besser miteinander vergleichen. Bevorzugt wird die zum Vergleich verwendete Häufigkeitsverteilung und/oder die zweite Häufigkeitsverteilung durch Aufsummieren einer Häufigkeit des Auftretens von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten in dem Farbraum berechnet. Bevorzugt entspricht die Häufigkeitsverteilung einem zweidimensionalen Histogramm in dem verwendeten Farbraum.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der verwendete Farbraum ein YUV-Farbraum, wobei Y der Lichtintensität bzw. Luminanz der Bildpunkte entspricht und Y für die Berechnung der Häufigkeitsverteilung selbst nicht berücksichtigt wird. Vorteilhaft ist, dass der YUV-Farbraum im Stand der Technik zur Kodierung von Farbbildern und Farbvideos verwendet wird. Deshalb stehen effiziente und kostengünstige Chips zur digitalen Videobildverarbeitung und auch Bildkomprimierungs-Hardware für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung.
Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung eines YUV-Farbraums beschränkt. Vielmehr können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Farbräume verwendet werden, beispielsweise der YIQ-Farbraum, YCbCr-Farbraum oder dergleichen. Besonders bevorzugt wird jedoch zur Transformation eine lineare Transformation der Bildpunkt-Farbwerte in den Farbraum verwendet.
Werden die Farbwerte nicht bei den Farben rot (R), grün (G) und blau (B) des RGB-Farbraums sondern in anderen spektralen Bereichen detektiert, so können erfindungsgemäß grundsätzlich vergleichbare mathematische Transformationen zur Transformation der Farbwerte in den auszuwertenden Farbraum verwendet werden.
Bevorzugt wird die in dem Farbraum berechnete und für den Vergleich verwendete Häufigkeitsverteilung durch Verwendung eines Filters, beispielsweise eines Box-Filters, geglättet. Vorteilhaft ist, dass somit ein durch Schwankungen in der Häufigkeitsverteilung hervorgerufenes Rauschen unterdrückt oder zumindest gemindert werden kann, was die Genauigkeit des Verfahrens noch weiter erhöht.
Bekanntermaßen werden in der Halbleitertechnologie auf einem Wafer gleichzeitig eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies hergestellt. Erfindungsgemäß werden bevorzugt, beispielsweise in Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse, die Häufigkeitsverteilungen wahlweise auf der Grundlage von Bildaufnahmen von zumindest einem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies umfassenden Halbleitersubstrat oder von einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (stepper area window; SAW) des Halbleitersubstrats oder von einem einzelnen Die oder von einem Unterbereichs eines Dies berechnet. Die für die Bildaufnahmen verwendeten Bereiche können zur Berechnung der ersten und zweiten Häufigkeitsverteilung bevorzugt auch beliebig kombiniert werden. Beispielsweise kann die erste Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem einzelnen Die oder einem SAW berechnet werden, während die zweite Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage einer Bildaufnahme von der gesamten Oberfläche eines Referenz-Wafers berechnet wird. Dies erlaubt den Vergleich der Qualität einzelner Halbleiterbauelemente eines Wafers mit einem Referenz-Wafer. Oder die zweite Häufigkeitsverteilung wird alternativ auf der Grundlage einer Bildaufnahme eines zweiten Dies auf demselben Wafer berechnet. Dies erlaubt den Vergleich der Qualität einzelner Halbleiterbauelemente auf ein und dem selben Wafer untereinander, beispielsweise von benachbarten Halbleiterbauelementen oder ausgewählten Bauelementen auf dem Halbleitersubstrat bzw. Wafer.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird für den Vergleich aus der berechneten Häufigkeitsverteilung ein Schwerpunkt berechnet und die Lage des Schwerpunktes mit der Lage des Schwerpunktes der zweiten Häufigkeitsverteilung verglichen, um für das Halbleitersubstrat eine Farbverschiebung zu ermitteln, aus der sich Rückschlüsse, beispielsweise auf systematische Schwankungen der Dicke von dünnen Schichten auf dem selben Halbleitersubstrat, gewinnen lassen. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem Referenz-Wafer oder beispielsweise von einem benachbarten Halbleiterbauelement auf der Oberfläche desselben Halbleitersubstrats berechnet werden. Die Schwerpunkte in dem verwendeten Farbraum stellen einfache Koordinatenwerte dar, die ohne weiteres miteinander verglichen werden können. Deshalb lassen sich Farbverschiebungen mit hoher Genauigkeit zuverlässig ermitteln.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird für den Vergleich die berechnete Häufigkeitsverteilung von der zweiten Häufigkeitsverteilung subtrahiert, um so für das Halbleitersubstrat Differenzen in der Farbverteilung zu ermitteln. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem Referenz-Wafer oder beispielsweise von einem benachbarten Halbleiterbauelement auf der Oberfläche desselben Halbleitersubstrats berechnet werden. Vorteilhaft ist, dass durch die Differenzbildung Unterschiede in den Häufigkeitsverteilungen leichter detektiert und aufgelöst werden können. Zum Hervorheben solcher Unterschiede kann die Differenz beispielsweise auch durch Multiplikation mit einem vorgebbaren Faktor weiter verstärkt werden.
Selbstverständlich können die erste und zweite Ausführungsform auch miteinander kombiniert werden.
Weiterhin kann ein Alarmsignal, eine Größe oder dergleichen erzeugt werden, wenn die gemäß der ersten Ausführungsform ermittelte Farbverschiebung und/oder die gemäß der zweiten Ausführungsform ermittelten Differenzen in der Farbverteilung für das Halbleitersubstrat einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Das Alarmsignal, die erzeugte Größe oder dergleichen kann somit für eine automatisierte Auswertung des Inspektionsverfahrens herangezogen werden, beispielsweise in einer Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats etwa in einer aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Halbleiterfertigungsstraße.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der verwendete Schwellenwert durch Mittelung von Häufigkeitsverteilungen von Oberflächenbereichen berechnet werden, die auf einem Wafer in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt wird hierbei eine radiale Verteilung der verwendeten Oberflächenbereichen verwendet. Somit kann Effekten in einfacher Weise Rechnung getragen werden, die zu inhomogenen Schichtdicken mit radialer Abhängigkeit auf einem Wafer führen, beispielsweise aufgrund des Aufzentrifugierens einer Fotolackschicht (Spin-Coating).
Selbstverständlich können für den Vergleich auch beliebige i-te Momente der berechneten Häufigkeitsverteilungen verwendet werden, wobei i eine Ganzzahl ist und i ≥ 1 gilt.
Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats ist somit ein Bildsensor mit geeigneten spektraler Empfindlichkeit, beispielsweise Farbkamera, Videokamera oder CCD-Sensor, ein geeignetes Rechenmittel, beispielsweise Mikroprozessoren, Spezial-Prozessoren oder dergleichen, und ein geeignetes Vergleichsmittel, beispielsweise Mikroprozessoren, Spezial-Prozessoren oder dergleichen, vorgesehen
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe von Software bzw. eines Computerprogramms ausgeführt werden, das Programmkodemittel umfasst, um die erfindungsgemäßen Verfahrenschritte auszuführen, wenn die Software bzw. das Computerprogramm auf einem Computer oder anderen geeigneten Datenverarbeitungsmittel ausgeführt wird, um die Rechen- und Vergleichsmittel zu steuern. Bevorzugt umfasst die Software bzw. das Computerprogramm Programmkodemittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden, worin:
1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt;
2 die spektrale Empfindlichkeit einer Sensor-Kamera darstellt, die Licht bei drei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert;
3 ein zweidimensionales Histogramm in einem YUV-Farbraum darstellt, das mit Hilfe der in der 1 dargestellten Vorrichtung berechnet wird;
4 das zweidimensionale Histogramm gemäß der 3 nach einer Glättung darstellt;
5 das zweidimensionale Histogramm gemäß der 3 darstellt, das mit einem zweiten Histogramm überlagert ist, dessen Schwerpunkt identisch mit dem Schwerpunkt des zweidimensionalen Histogramms gemäß der 3 ist; und
6 schematisch eine Anordnung von einem Halbleitersubstrat und einer Kamera zeigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur optischen Inspektionen der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 21, beispielsweise eines Halbleiter-Wafers, dessen Oberfläche mit einer oder mehreren dünnen Schichten, beispielsweise einer Fotolack Schicht, einer Metallisierung, einer dielektrischen Schicht oder dergleichen, beschichtet ist. Interferenzeffekten verleihen der Oberfläche eine Farbe, die von der Dicke der dünnen Schicht abhängig ist. Aus dem von der Oberfläche reflektierten Licht lässt sich somit auf die Dicke der dünnen Schicht schließen. Aus Farbvarianzen der reflektierten Lichtintensität lässt sich auf Inhomogenitäten in der Dicke der dünnen Schicht schließen.
Mit Hilfe der als Farbbildsensor dienenden CCD-Kamera 1 wird die Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 oder ein Teil der Oberfläche, beispielsweise ein sog. stepper area window (nachfolgend SAW), das mehrere Dies bzw. Halbleiterbauelemente umfasst, ein Bereich mit einem oder mehreren Dies oder ein Teil eines Dies, makroskopisch aufgenommenen. Die Bildinformation ist aus einer Mehrzahl von Bildpunkten mit zugeordneten Farbwerten und Intensitäten aufgebaut.
Die 2 stellt die spektrale Empfindlichkeit einer Sensor-Kamera 1 dar, die Licht bei drei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert, nämlich bei den Farben rot, grün und blau. Für jeden Punkt des Farbbildes liefert die Farbkamera 1 drei Intensitätswerte. Der Wert eines jeden Kanals ist von der spektralen Empfindlichkeit des einzelnen Sensors und dem einfallenden Licht abhängig. Die 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit einer 3-Sensor Kamera 1 deren Sensoren A, B und C empfindlich für sichtbares Licht sind.
Wenn ϕ_λ die spektrale Verteilung des einfallenden Lichtes ist, so liefern die Sensoren A, B und C die folgenden Intensitäten:
wobei k ein Verstärkungsfaktor ist.
Die Bildinformation wird einem Bildverarbeitungsmittel 2 eingegeben, das die RGB-Komponenten der Bildinformation in den YUV-Farbraum transformiert.
Der YUV-Farbraum bildet bei den in Europa verwendeten Fernsehnormen die Grundlage der Farbkodierung und setzt sich bekanntermaßen wie folgt aus den RGB-Komponenten der Bildinformation zusammen: Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = –147R – 0.289G + 0.437B = 0.493(B – Y) V = 0.615R – 0.515G – 0.100B = 0.877(R – Y)
Die Y-Komponenten stellt die Luminanz dar. Der YUV-Farbraum wird somit aus der Intensitäten und den Farbkoordinaten U, V aufgespannt.
Bei der weiteren Bearbeitung der Bildinformation wird die Y-Komponente nicht berücksichtigt, was in der 1 durch den nicht durchgezogenen Pfeil zwischen den Blöcken 2 und 3 angedeutet ist. Die verbleibenden U- und V-Farbkoordinatenwerten spannen einen zweidimensionalen Buntheits-Raum auf. Mit Hilfe des Rechenmittels 3 wird die Häufigkeit des Auftretens eines Bildpunktes mit gleichen U- und W-Werten für den jeweiligen aufgenommenen Bildbereich aufsummiert. In dem zweidimensionalen Buntheits-Raum wird somit die in der 3 dargestellte Häufigkeitsverteilung 12 (Histogramm) berechnet. Die Häufigkeitsverteilung 12 weist zwei Peaks 13, 14 sowie einen nebengeordneten Peak 15 auf, der auf Bildartefakte zurückgeht.
Aufgrund der begrenzten Auflösung bei einer digitalen Bildbearbeitung weist die berechnete Häufigkeitsverteilung 12 diskrete Abstufungen auf. Je nach verwendeter Auflösung, beispielsweise 8-Bit, ist der berechneten Häufigkeitsverteilung 12 ein diskretes Rauschen überlagert, das bei nachfolgenden Vergleichsoperationen stören könnte und das in der 3 zu den Doppel-Peaks 13, 14 führt.
Die berechnete Häufigkeitsverteilung 12 wird mit Hilfe des Filtermittels 4 geglättet, beispielsweise mit Hilfe eines Box-Filters. Geeignete alternative Filter-Algorithmen sind dem Fachmann beim Studium dieser Beschreibung ersichtlich und bedürfen keiner weiteren Ausführungen.
Die 4 zeigt schematisch die geglättete Häufigkeitsverteilung 12 gemäß der 3. Je nach der Breite des gesetzten Frequenzfensters des Filtermittels 4 ergibt sich eine geringe Verbreiterung der Häufigkeitsverteilung 12, die insgesamt vernachlässigbar ist und dazu führt, dass die Doppel-Peaks 13, 14 in der 4 zu einem einzelnen Peak 16 verlaufen sind.
Mit Hilfe des weiteren Rechenmittels 5 kann der Schwerpunkt der berechneten Häufigkeitsverteilung 12, ausgedrückt in U- und V-Farbkoordinaten, ermittelt werden. In dem von den U- und V-Farbkoordinaten aufgespannten Farbraum entspricht jeder Ort einer Farbe der reflektieren Lichtintensität. Wird das Licht vielfarbig reflektiert, weist die geglättete Häufigkeitsverteilung 12 mehr als einen Peak auf.
Die weiteren Verarbeitungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im unteren Teil der 1 schematisch dargestellt. Für den wahlweise in dem Block 7 oder 9 ausgeführten Vergleichsschritt verwendet das Verfahren eine zweite Häufigkeitsverteilung (Referenz-2D-Histogramm). Die zweite Häufigkeitsverteilung wird auf der Grundlage von Licht, das von einem Referenz-Bereich reflektiert wird, berechnet, und zwar je nach den Erfordernissen des Verfahrens wahlweise auf der Grundlage von Licht, das von einem Referenz-Wafer mit guten Oberflächeneigenschaften oder einem Oberflächenabschnitt davon, von einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (SAW) des Referenz-Wafers oder desselben Halbleitersubstrats 21, von einem einzelnen Die oder einem Abschnitt davon eines Referenz-Wafers oder desselben Halbleitersubstrats 21 reflektiert wird. Die Berechnung erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise, insbesondere unter Verwendung identischer oder vergleichbarer Beleuchtungsbedingungen und/oder eines Glättungsschrittes. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann in einem Speicherbereich abgelegt sein.
Auch für die zweite Häufigkeitsverteilung lässt sich in der zuvor beschriebenen Weise die Lage des Schwerpunkts berechnen (Referenz-Schwerpunkt).
Ist die Lage der Schwerpunkte von Häufigkeitsverteilung 12 und Referenz-Häufigkeitsverteilung 12 nicht identisch, so resultiert dies in einer Farbverschiebung des von dem Halbleitersubstrat 21 reflektieren Lichts im Vergleich zu dem von dem Referenz-Bereich reflektierten Licht. Diese Farbverschiebung wird von dem Block 9 durch Differenzbildung der beiden Schwerpunkte bestimmt.
Je nach dem verwendeten Referenz-Bereich und dem zur Berechnung der Häufigkeitsverteilung 12 verwendeten Bildaufnahmebereich kann diese Farbverschiebung in dem nachgeordneten Block 10 zur Bestimmung lokaler Farbdefekte oder in dem nachgeordneten Block 11 zur Bestimmung globaler Farbdefekte verwendet werden. Lokale Farbdefekte, beispielsweise hervorgerufen durch eine lokale Aufwölbung der dünnen Schicht aufgrund eines Staubkorns, lassen sich beispielsweise durch den Vergleich der Häufigkeitsverteilungen zweier lokaler Oberflächenbereiche ein und desselben Wafers oder aufgrund des Auftretens eines zusätzlichen Peaks in der Häufigkeitsverteilung 12 des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 bestimmen. Globale Farbdefekte führen hingegen zu einer systematischen Farbverschiebung des Peaks oder aller Peaks des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 im Vergleich zu einem Referenz-Wafer. Systematische Farbverschiebungen treten sowohl bei veränderten Schichtdicken als auch bei fehlenden Schichten oder bei falschen Schichten durch Verwendung eines falschen Reticles auf.
Alternativ oder zusätzlich kann die für das zu prüfende Halbleitersubstrat 21 berechnete Häufigkeitsverteilung 12 auch von dem Block 6 so verschoben werden, dass deren Schwerpunkt mit dem Referenz-Schwerpunkt übereinstimmt. In dem Block 7 wird dann die verschobene Häufigkeitsverteilung 12 mit der zweiten Häufigkeitsverteilung (Referenz-2D-Histogramm) verglichen. Zu diesem Zweck können die beiden Häufigkeitsverteilungen in dem Block 7 einander überlagert werden. Im Falle einer lokalen Farbverschiebung kann beispielsweise in der Häufigkeitsverteilung 12 des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 nach der Überlagerung ein zusätzlicher Peak auftreten, der in der überlagerten Gesamt-Häufigkeitsverteilung 12 zu zwei ungleich hohen Peaks führen kann, vergleichbar zu der Verteilung 12 gemäß der 5.
Alternativ können die beiden Häufigkeitsverteilungen in dem Block 7 auch voneinander subtrahiert werden. Zusätzlich kann die verbleibende Differenz durch Multiplikation mit einem vorgebbaren Faktor verstärkt werden. Dadurch können auch kleine Differenzen in der Farbverteilung 12 ermittelt werden.
Dies ist schematisch in der 5 dargestellt, wo die resultierende Häufigkeitsverteilung 12 eine schräg abfallende Schulter 20 und zwei Peaks 17, 18 aufweist.
Selbstverständlich können für die Häufigkeitsverteilungen auch i-te Momente berechnet und miteinander verglichen werden, wobei i eine Ganzzahl ist und i ≥ 1 gilt. Dadurch lassen sich noch weitere Informationen über die Farbvarianzen auf dem Halbleitersubstrat 21 gewinnen.
Die vorgenannten Referenz-Bereiche, die zur Berechnung der Referenz-Häufigkeitsverteilung 12 verwendet werden, können auch in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung auf dem Referenz-Wafer oder dem zu prüfenden Halbleitersubstrat 21 angeordnet sein. Beispielsweise können bei einem Prozessschritt inhärent Inhomogenitäten in der Dicke der aufgebrachten dünnen Schicht auftreten. So kann es beim Aufschleudern (Spin-Coating) einer Fotolackschicht zu einer radialen Abhängigkeit der Dicke der aufgebrachten Fotolackschicht kommen. In einem solchen Fall kann es vorteilhaft sein, als Referenzbereich einen ringförmigen Bereich eines Referenz-Wafers oder des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 zu verwenden. Die Größe und geometrische Form des Referenz-Bereichs kann erfindungsgemäß auch variiert werden.
Bei Abweichung der Häufigkeitsverteilung 12 von der Referenz-Häufigkeitsverteilung 12 kann auch auf Defokusfehler beim Belichten geschlossen werden. Durch eine defokussierte Belichtung entstehen andere Strukturen auf dem Halbleitersubstrat 21, die sich in einer anderen Häufigkeitsverteilung 12 äußern.
Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für eine rasche, vollautomatisierte Bildauswertung. Somit lässt sich das Verfahren kombinieren mit einem Verfahren zur Herstellung von strukturieren Halbleitersubstraten 21, bei dem die Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 zwischen zwei Prozessschritten geprüft wird und für den Fall, dass die ermittelte Farbverschiebung oder die ermittelten Differenzen in der Farbverteilung für das zu prüfende Halbleitersubstrat 21 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, Maßnahmen getroffen werden, um eine gleich bleibend hohe Qualität in der Halbleiterfertigung zu gewährleisten.
Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, dass das gerade geprüfte Halbleitersubstrat 21 oder Teile davon, die für fehlerhaft befunden wurden, in einem nachfolgenden Prozessschritt verworfen werden, oder dass die Oberfläche des Halbleitersubstrates 21 von der für fehlerhaft befundenen dünnen Schicht wieder befreit wird, beispielsweise durch Abspülen der gerade aufgebrachten Fotolackschicht, und vor dem nachfolgenden Prozessschritt mit einer neuen dünnen Schicht beschichtet und diese geprüft wird, solange, bis die aufgebrachte Schicht als den Qualitätsanforderungen genügend befunden wird. Eine solche Vorgehensweise ist auch unter dem Stichwort after development inspection (ADI) bekannt.
Zu diesem Zweck kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Schwellenwertes ein Alarmsignal, eine Größe oder dergleichen erzeugt werden, das bzw. die an eine CPU der Halbleiterfertigungsstrasse weitergeleitet wird, um die vorgenannten Maßnahmen einzuleiten.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch weitere Ursachen für Inhomogenitäten bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen ermitteln. So wurde von dem Erfinder festgestellt, dass eine Defokussierung bei der Stepper-Belichtung zu einer Änderung der Farbverteilung eines einzelnen SAWs aufgrund einer anders gearteten Oberflächenbeschichtung auf dem Halbleitersubstrat 21 führt. Eine Defokussierung bei der Stepper-Belichtung in einem einzelnen SAW ist im Stand der Technik nur vergleichsweise aufwendig zu detektieren.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch die auftretenden Fehler systematisch wie folgt unterscheiden. Dies kann zur Aussortierung einzelner Halbleiterbauelemente bzw. Dies verwendet werden. So lassen sich beispielsweise systematische globale Prozessfehler von lokalen Fehlern unterscheiden. Denn für den Fall, dass aufgrund einer Prozessstörung systematisch unzureichende dünne Schichten ganzflächig auf einen Wafer aufgebracht werden, äußert sich dieser systematische Prozessfehler in einer Farbverschiebung für alle geprüften Dies im Vergleich zu der Häufigkeitsverteilung 12 eines Referenz-Wafers mit bekannten (guten) Oberflächeneigenschaften, wohingegen der Vergleich der Häufigkeitsverteilungen einzelner Dies ein und desselben Wafers auf keine signifikante Farbverschiebung schließen lässt.
Für den Fall, dass ein einzelner Stepper-Belichtungsbereich (SAW) im Vergleich zu allen anderen Bereichen desselben Wafers anders beschichtet wird, äußert sich dies in Abweichungen des entsprechenden SAWs im Vergleich sowohl zu dem Referenz-Histogramm als auch zu den Häufigkeitsverteilungen aller anderen SAWs desselben Wafers. Zur Bestimmung von auf einzelne SAWs begrenzten Prozessfehlern ist es deshalb von Vorteil, wenn die Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer jeweils für ein ganzes SAW berechnet wird.
Sollen mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens sogar Fehler von dünnen Schichten auf einzelnen Dies oder Unterbereichen davon ermittelt werden, so ist es von Vorteil, wenn die Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer für ein jeweiliges Die oder einem Unterbereich davon berechnet wird.
Durch geeignete Wahl des zur Berechnung der Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer verwendeten Bildaufnahmebereichs sowie des für die Berechnung des Referenz-Histogramms verwendeten Referenz-Bereichs lässt sich erfindungsgemäß somit unterschiedlichsten Anforderungen in der Halbleiterfertigung flexibel Rechnung tragen.
Während vorstehend beschrieben wurde, dass der Bildsensor Intensitäten bei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Grundsätzlich können die Intensitäten auch teilweise oder sämtliche in anderen, auch nicht-sichtbaren Spektralbereichen detektiert werden. Beispielsweise kann der Bildsensor auch Intensitäten im infraroten, nahen infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich detektieren. Geeignete Abbildungsoptiken und -elemente zur Verwendung in diesen Spektralbereichen werden dem Fachmann beim Studium dieser Anmeldung ohne weiteres ersichtlich werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe von Software bzw. eines Computerprogramms mit Programmcodemitteln zur Durchführung der vorgenannten Verfahrensschritte realisiert werden, die ausgeführt werden, wenn die Software bzw. das Computerprogramm auf einem Computer oder anderen geeigneten Datenverarbeitungsmittel, beispielsweise auf einem Mikroprozessor, ausgeführt wird. Die Software bzw. das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein, beispielsweise auf einem ROM, EPROM, EEPROM, einer CD-ROM, einer DVD, einem Magnetbandträger oder dergleichen. Geeignete Hardwarekomponenten zum Durchführen der vorgenannten Rechenoperation werden dem Fachmann bei Studium der vorangehenden Beschreibung ersichtlich sein und können Mikroprozessoren, ASICs oder spezielle Signalverarbeitungsprozessoren umfassen.
Die 6 zeigt in schematischer Weise einen Wafer 21, der sich auf einem Scannintisch 22 befindet und dessen Oberfläche mittels einer Kamera 1 (Bildsensor) aufgenommen wird. Es kann die komplette Oberfläche auf einmal oder nur ein Teil der Oberfläche des Wafers 21 aufgenommen werden. Im letzteren Fall wird über die Oberfläche gescannt, wenn die komplette Oberfläche untersucht werden soll. Um hierbei eine Relativbewegung zwischen Scanningtisch 22 und Kamera 1 zu erzeugen, wird ein x-y-Scanningtisch 22 verwendet, der in den Koordinatenrichtungen x und y verfahrenen werden kann. Die Kamera 1 ist hierbei gegenüber dem Scanningtisch 22 fest installiert. Selbstverständlich kann auch umgekehrt der Scanningtisch 22 fest installiert sein und die Kamera 1 für die Bildaufnahmen über den Wafer 21 bewegt werden. Auch eine Kombination der Bewegung der Kamera 1 in eine Richtung und des Scanningtisches 22 in der dazu senkrechten Richtung ist möglich.
Der Wafer 21 wird mit einer Beleuchtungseinrichtung 23 beleuchtet, die zumindest Teile der Waferoberfläche beleuchtet, z. B. einen SAW, wie oben bereits erwähnt. Hierbei wird die Beleuchtung auf den SAW konzentriert. Zudem kann auch mit einer Blitzlampe gepulst werden, so dass Bildaufnahmen on-the-fly möglich sind, bei denen also der Scanningtisch 22 oder die Kamera 1 ohne für die Bildaufnahme anzuhalten verfahren werden. Dadurch ist ein großer Waferdurchsatz möglich. Natürlich kann auch für jede Bildaufnahme die Relativbewegung zwischen Scanningtisch 22 und Kamera 1 angehalten werden und der Wafer 21 auch in seiner gesamten Oberfläche beleuchtet werden. Scanningtisch 22, Kamera 1 und Beleuchtungseinrichtung 23 werden von einer Steuereinheit 24 gesteuert. Die Bildaufnahmen können in einem Rechner 25 abgespeichert und gegebenenfalls auch dort verarbeitet werden.

Claims

Verfahren zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats (21), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: • Aufnehmen eines Bildes von der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats (21), welches mindestens eine dünne Schicht trägt, und Aufnehmen eines Bildes von mindestens einem Teilbereich der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21), wobei die Bilder eine Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge umfassen, die als Farbwerte bezeichnet werden, wobei die Verhältnisse der Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen zueinander durch schichtdickenabhängige Interferenzeffekte bei der Reflektion des zum Aufnehmen der Bilder verwendeten Lichtes an der mindestens einen dünnen Schicht bestimmt sind; • Transformieren der Farbwerte in einen Farbraum, der von einer Intensität und von Farbkoordinaten (U, V) aufgespannt wird; • Berechnen einer ersten Häufigkeitsverteilung (12) von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten (u, v) für jedes aufgenommene Bild; • Glätten der für jedes aufgenommene Bild berechneten ersten Häufigkeitsverteilung (12); • Vergleichen der ersten Häufigkeitsverteilung (12) mit einer zweiten entsprechend berechneten Häufigkeitsverteilung, wobei die zweite Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme der gesamten Oberfläche eines Referenz-Wafers und/oder eines Teilbereichs der Oberfläche des aktuell zu inspizierenden Wafers basiert; und • Ermitteln einer Verschiebung eines Schwerpunkts aus dem Vergleich der ersten Häufigkeitsverteilung (12) mit der zweiten Häufigkeitsverteilung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Farbwerte im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Wellenlängenbereich aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Farbwerte unter Verwendung einer linearen Transformation in den Farbraum transformiert werden und die erste Häufigkeitsverteilung (12) und die zweite Häufigkeitsverteilung durch Aufsummieren einer Häufigkeit des Auftretens von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten in dem Farbraum unter Vernachlässigung der Intensität der Bildpunkte berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Farbwerte eines RGB-Farbraums bei sichtbaren Wellenlängen in einen YUV-Farbraum transformiert werden, wobei Y der Lichtintensität bzw. Luminanz der Bildpunkte entspricht und Y für die Berechnung der ersten Häufigkeitsverteilung (12) und der zweiten Häufigkeitsverteilung nicht berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Berechnung der ersten Häufigkeitsverteilung (12) und der zweiten Häufigkeitsverteilung wahlweise makroskopische Bildaufnahmen von zumindest einem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies umfassenden Halbleitersubstrat (21) oder von zumindest einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (SAW) des Halbleitersubstrats (21) oder von einem einzelnen Halbleiterbauelement bzw. Die oder von einem Unterbereich davon verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Vergleich die erste berechnete Häufigkeitsverteilung (12) von der zweiten Häufigkeitsverteilung subtrahiert wird, um für das Halbleitersubstrat (21) Differenzen in der Farbverteilung zu ermitteln.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 7, bei dem ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn die ermittelte Verschiebung des Schwerpunkts oder die ermittelten Differenzen in der Farbverteilung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Vergleich ein i-tes Moment der ersten berechneten Häufigkeitsverteilung (12) mit einem i-ten Moment der zweiten Häufigkeitsverteilung verglichen wird, wobei i eine Ganzzahl ist und i ≥ 1 gilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der mindestens einen Schicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) um eine Fotolackschicht handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbleitersubstrat (21) oder Unterbereiche davon in einem nachfolgenden Prozessschritt verworfen werden oder die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) von einer dünnen Schicht befreit wird, um vor dem nachfolgenden Prozessschritt erneut beschichtet und inspiziert zu werden, wenn das Halbleitersubstrat (21) oder Unterbereiche davon für fehlerhaft befunden werden bzw. wenn die dünne Schicht für fehlerhaft befunden wird und/oder ein Alarmsignal erzeugt wird.