DE10352936A1

DE10352936A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand

Info

Publication number: DE10352936A1
Application number: DE10352936A
Authority: DE
Inventors: Robert Wagner
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, wobei Licht auf den Rand des Objektes gerichtet wird und das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels einer Messeinrichtung (1) detektiert wird und anhand der detektierten Bildsignale Defekte an und/oder in dem Objekt ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, wobei Licht auf den Rand des Objektes gerichtet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit mindestens einer Licht emittierenden Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Randes des Objektes.

Verfahren und Vorrichtungen der in Rede stehenden Art sind seit langem aus der Praxis bekannt und spielen im Rahmen einer vollständigen Kontrolle von Objekten, insbesondere von Produkten in der industriellen Fertigung, eine immer bedeutendere Rolle. Dabei geht es nicht nur um eine möglichst vollständige Kontrolle des fertigen Produkts vor der Auslieferung oder eine umfassende Wareneingangsprüfung, sondern vielmehr entwickelt sich der Trend dazu, bereits zwischen einzelnen Fertigungsschritten die Qualität des Vorprodukts wiederholt sicherzustellen und so eine frühzeitige Erkennung von Produkt- oder auch Herstellungsfehlern zu ermöglichen.

Im Bereich der Halbleiterindustrie haben sich so im Laufe der Jahre eine Vielzahl von Inspektionssystemen etabliert, die verschiedenste Kriterien bei der Herstellung von Wafern erfassen. Die Leistungsfähigkeit dieser Systeme stellte die Grundlage dar, um internationale Standards (SEMI-Standards, Semiconductor Equipment and Materials International) für die Qualität des Produkts „Wafer" aufzustellen, um so eine weltweit einheitliche Definition für alle in der Halbleiterindustrie tätigen Unternehmen bereitzustellen.

Ein sehr kritisches Merkmal für die Qualität von Wafern ist die Beschaffenheit der Waferoberfläche. Dort gilt es, einzelne Partikel, Kontamination, Rauhigkeit und Defekte mit sehr hoher Auflösung zu erkennen. Dabei ist seitens der Waferhersteller nicht nur eine Qualtiätsprüfung am Ende jeder Produktionslinie im Rahmen der Warenausgangskontrolle beabsichtigt. Vielmehr soll an mehreren Stellen des Herstellungsprozesses eine solche Kontrolle vorgesehen werden und ein Aussortieren von fehlerhaften Siliziumscheiben in Abhängigkeit vom Typ oder von der Verteilung der Fehlstellen zum frühest möglichen Zeitpunkt gewährleistet werden, um so die mit hohen Kosten verbundene Weiterbearbeitung in der Fertigung oder sogar die Auslieferung solcher Scheiben an den Kunden zu verhindern.

Visuell erkennbare Defekte führen – auch wenn diese nicht offensichtlich sind und nur mit spezieller Beleuchtung und unter Zuhilfenahme von Vergrößerungsoptiken sichtbar sind – bei Kunden im Wesentlichen zu folgenden Problemen:

1. Frühzeitige Erkennung von Defekten (z.B. im Rahmen der Eingangskontrolle) führt in der Regel zu einer Reklamation und Rücksendung der gelieferten Wafer. Eine daraus resultierende Folge ist beispielsweise die Verzögerung der Weiterverarbeitung und somit ein entsprechender Ausfall von Produktionszeiten.
2. Falls Fehler erst im weiteren Fertigungsprozess oder am Schluss der Weiterverarbeitung erkannt werden, muss ein aufwendig hergestelltes und damit insgesamt sehr viel höherwertiges Produkt ausgesondert werden. Dadurch wird zum ersten die tatsächliche Produktionskapazität unnötig reduziert, und zum zweiten sind die Kosten im Rahmen der Weiterverarbeitung für das verworfene Produkt bereits entstanden.
3. Führt ein nicht erkannter Defekt im Laufe der Weiterverarbeitung sogar zum Bruch des Wafers, so kommt zu den reinen Materialkosten, die in diesem Fall schon für sich beträchtliche Summen ausmachen, die aufwendige Wiederherstellung der Reinraumeigenschaften nach einem solchen Ereignis und der damit verbundene Stillstand einer gesamten Produktionslinie hinzu.

Nach dem derzeitigen Stand der Technik ist bei der automatisierten Inspektion der Waferoberfläche in Bezug auf Partikel, Rauhigkeit und Defekte die Randzone des Wafers von der Inspektion ausgeschlossen. Diese Randzone ist nach SEMI-Standards definiert als der Übergangsbereich von der Vorderseite des Wafers zur Rückseite und darüber hinaus jeweils ein Bereich von drei Millimetern ausgehend vom Kantenbereich in die Oberfläche des Wafers hinein.

Da der Randbereich des Wafers (= Kante + Teil der Randzone, insbesondere die gemäß heutigen SEMI-Vorschriften bei der Oberflächenkontrolle definierten Ausschlusszonen) von der Definition von Qualitätsstandards für Waferoberflächen der zeit vollkommen ausgeschlossen ist, wird der Kantenbereich des Wafers zurzeit nur einer manuellen visuellen Kontrolle durch einen Operateur unterzogen. Als Hilfsmittel bei dieser Kontrolle werden sehr starke Lichtquellen eingesetzt, um etwaige Defekte an der Kante des Wafers erkennen zu können. Insbesondere wird die Kante dabei auf Lichtreflexe untersucht, die durch Unebenheiten hervorgerufen werden. Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit dieses visuellen Verfahrens ist jedoch aus Sicht der Herstellung und Weiterverarbeitung denkbar schlecht, was die Definition von Qualitätsstandards analog zur Vorder- und Rückseite bisher nicht ermöglichte.

Neben der visuellen Streulichtinspektion durch einen Operateur, welche als inhärent fehlerbehaftet beurteilt werden muss, steht derzeit nur ein automatisiertes Gerät zur Waferkanten-Inspektion zur Verfügung, nämlich das Gerät „Edge Scan" der Firma Raytex, welches die Kante des Wafers, jedoch nicht die Randzone überprüft. Dieses auf einer Streulichtauswertung des senkrecht auf die Kante gerichteten Laserstrahls basierende System entspricht allerdings nur unzureichend den Kundenanforderungen. Dies liegt einerseits an einer zu niedrigen Auflösung des Systems (ein Messwert für 25 μm des Waferumfangs) und der daraus resultierenden eingeschränkten Empfindlichkeit. Ferner ist die verwendete Streulichtauswertung empfindlich gegenüber Abweichungen des Wafers von seiner Idealgeometrie (Verspannung), des herzustellenden Profils der Kante und des Handlings des Wafers während der Messung selbst (Verkippung des Wafers gegenüber der Achse des Laserstrahls).

Eine Klassifikation von Defekten nach deren konkretem Typ (Kontamination, Kratzer, Ausbruch, Belag, Partikel, etc.) ist im Rahmen der visuellen Inspektion bisher nur in einem weiteren zeitaufwendigen Schritt möglich, indem der beschädigte Wafer unter einem Mikroskop detaillierter untersucht wird. Für das verfügbare automatisierte System ist eine Beurteilung von detektierten Fehlstellen ebenfalls nur durch einen Operateur gewährleistet, der dazu ein Kamerabild jedes Defektes analysieren muss. Weiterführende statistische Untersuchungen und Erkennung von systematischen Fehlern sind damit ebenfalls bisher nicht möglich bzw. nicht realisiert.

Insgesamt spielt die Kante eines Wafers eine immer wichtigere Rolle, was auf das im SEMI-Standard empfohlene Rand-Handling von Wafern mit einem Durchmesser von 300 mm zurückzuführen ist. Damit wird dieser Bereich zusätzlichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, die zu erkennende Defekte zum Teil erst hervorrufen bzw. auf bestehende Defekte empfindlich reagieren.

Da die Nachfrage nach größeren Waferdurchmessern stetig zunimmt und in gleichem Maße die Qualitätsanforderungen steigen, besteht insbesondere auf Seiten der Waferproduzenten Bedarf an einem vollautomatisierten System für die Kontrolle der Waferkanten hinsichtlich Defekten und Rauheit, welches in der Lage ist, Siliziumscheiben genau, normgerecht, kontaminations- sowie zerstörungsfrei in und zwischen den entsprechenden Produktionsschritten der Waferherstellung zu messen und Fehlstellen zu erkennen und zu klassifizieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine zuverlässige, reproduzierbare Kontrolle des Objektrandes mit hoher Genauigkeit ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich eines Verfahrens zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels einer Messeinrichtung detektiert wird und anhand der detektierten Bildsignale Defekte an und/oder in dem Objekt ermittelt werden.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass der Untersuchung des Randbereiches von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, insbesondere Waferscheiben, eine immer größere Bedeutung zukommt. Darüber hinaus ist erkannt worden, dass die derzeitige rein visuelle Qualitätsprüfung des Randbereiches durch einen Operateur stark fehlerbehaftet und nahezu nicht reproduzierbar ist. Erfindungsgemäß wird das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels einer Messeinrichtung detektiert. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist schließlich erkannt worden, dass Defekte an und/oder in dem Objekt anhand der detektierten Bildsignale zuverlässig, reproduzierbar und mit hoher Genauigkeit ermittelt werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf eine Vielzahl von Inspektionsaufgaben im Rahmen der Oberflächenkontrolle anwendbar. Bei dem Objekt könnte es sich dabei prinzipiell um Objekte aller Art handeln, vorzugsweise jedoch um Werkstücke oder fertige Produkte aus der industriellen Fertigung, wie z.B. Stäbe und Rohre, Stanzteile, Walzgut, etc. Dabei könnte das Objekt auch zumindest teilweise lichtdurchlässig sein, d.h. das Objekt könnte bspw. eine Linse sein. Ein Hauptanwendungsgebiet bildet allerdings – wie oben bereits erläutert – die Qualitätsprüfung von Halbleiterscheiben, insbesondere Siliziumwafern, weshalb im Folgenden ausschließlich auf Waferscheiben Bezug genommen wird.

Neben einer automatisierten optischen Detektion von Defekten im Randbereich des Wafers könnte in vorteilhafter Weise eine automatisierte Klassifikation der ermittelten Defekte durchgeführt werden.

Durch die Kombination von Bildverarbeitungskomponenten wie Kameras, Objektiven oder Beleuchtungsmodulen und effizienten Bildverarbeitungsalgorithmen erkennt das Kanteninspektionssystem in den von Kameras gelieferten Bilddaten der Waferkante Defekte und Partikel. Die gefundenen Fehlstellen könnten anschließend mittels einer Bildverarbeitungssoftware entweder anhand von Form- oder Intensitätsmerkmalen über parametrierbare Bereiche oder auf der Basis eines Defektkatalogs automatisch klassifiziert werden. Der Defektkatalog könnte dabei auf Grundlage von bereits bei vorhergehenden Messungen aufgenommenen Bilddaten erstellt werden. Zudem könnte die automatische Klassifizierung der gefundenen Defekte als selbstlernendes System, basierend auf einer Anzahl von Bildern von Musterdefekten einer Klasse, trainiert werden und sodann eine automatische Klassifikation mit neuronalen Netzen durchgeführt werden.

Das Kanteninspektionssystem „filmt" die Waferkante während der Rotation des Wafers und analysiert die aufgenommenen Bildsignale mittels Bildverarbeitungssoftware im Hinblick auf Defekte. Kriterien für die Erkennung von Defekten sind dabei vor allem Formveränderungen, d.h. geometrische Merkmale, sowie Abweichungen der reflektierten Lichtintensität, die sich z.B. als Helligkeitsunterschiede in den aufgenommenen Bilddaten bemerkbar machen können. Die so detektierten Defekte werden letztendlich einer Klassifikation unterzogen, die dem Messergebnis entsprechend im Vergleich zu einer Sammlung von Beispieldefekten durchgeführt wird. Dazu wäre bspw. der Einsatz eines neuronalen Netzes mit überwachtem Training denkbar. Als weitergehende Verarbeitung ist auf Basis des Klassifikationsresultats eine Sortierung von Wafern in einzelne – bspw. unterschiedliche Gütegrade repräsentierende – Klassen möglich.

Für die simultane und echtzeitfähige Bilderfassung und Bildauswertung sind optimierte Bildverarbeitungs-Softwaremodule vorgesehen, die schritthaltend mit den gelieferten Daten eine zuverlässige und wiederholbare Detektion von Defekten ermöglicht. Neben dieser Online-Auswertung während des Messvorgangs ist eine Detektion der Defekte aus den Bilddaten in einem der Messung nachgeschalteten Verarbeitungsschritt, d.h. eine Offline-Auswertung der Rohdaten, ebenfalls denkbar.

Wie bereits oben erwähnt, kann als Basis der Defektklassifikation ein Defektkatalog mit einer Klasseneinteilung dienen, welcher sich aus zuvor mit Hilfe des Messsystems aufgenommenen Beispieldefekten für jede Klasse zusammensetzt und jederzeit mit zusätzlichen Klassen erweitert bzw. innerhalb der Klasse durch Hinzunahme und Löschen einzelner Beispiele modifiziert werden kann.

In vorteilhafter Weise könnte der Abstand zwischen dem Wafer und der Messeinrichtung automatisch überwacht werden. Durch eine entsprechende Nachführung der relativen Position zwischen Messeinrichtung und Wafer könnten Verschlechterungen der Bildqualität, die aus während der Messung auftretenden Abstandsänderungen resultieren, wirksam vermieden werden. Für die Kompensation von Toleranzen eines solchen Nachführsystems und der Wafergeometrie könnte eine intelligente Steuerungs- und Regelungsschnittstelle integriert sein, die innerhalb sehr kurzer Reaktionszeiten auf Änderungen der aktuellen relativen Position zwischen Messobjekt und Messeinrichtung reagiert und über einen entsprechenden Regelungsprozess den Abstand während der Messung möglichst konstant hält. Dabei ist sowohl eine Nachführung der Messeinrichtung bezüglich des ortsfest gehaltenen Wafers als auch eine Nachführung des Wafers bezüglich der ortsfest gehaltenen Messeinrichtung möglich, und zwar sowohl für alle Achsen als auch selektiv für einzelne Achsen.

Eine automatische Detektion von Defekten im Randbereich des Wafers könnte beispielsweise ab einer Defektgröße von weniger als 1 μm durchgeführt werden, wobei eine feinere Auflösung grundsätzlich denkbar ist. Dazu könnte die Messeinrichtung einen Messwert pro 2 μm Umfang des Wafers und 2 μm in Richtung des Kantenprofils erfassen. Im Vergleich zum bisher verfügbaren System würde dies eine mehr als 1000-fache Erhöhung der Auflösung und zudem eine vollständige Abdeckung des Randbereichs bedeuten.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 18 gelöst. Danach ist eine Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand mit mindestens einer Licht emittierenden Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Randes des Objektes gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung umfassend eine Abbildungsoptik sowie mindestens eine Kamera, auf die das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels der Abbildungsoptik abbildbar ist, und eine Auswerteeinrichtung, mit der anhand der detektierten Bildsignale Defekte an und/oder in dem Objekt ermittelbar sind. Vorzugsweise dient die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf den vorigen Teil der Beschreibung verwiesen sei.

Als Beleuchtungseinrichtung könnten im Konkreten LEDs, Kaltlichtquellen, insbesondere regelbare Hochleistungs-Kaltlichtquellen, Laser oder aber auch herkömmliche Lichtquellen eingesetzt werden. In vorteilhafter Weise könnte die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungseinrichtung variabel einstellbar sein, so dass beispielsweise für die Untersuchung rauer Oberflächen eine geringe Lichtintensität und für polierte Oberfläche eine höhere Lichtintensität einstellbar ist. Insbesondere könnte die Beleuchtungsstärke derart gewählt werden, dass sich eine hohe Empfindlichkeit für kleine Defekte bzw. eine niedrige Empfindlichkeit für Detailstrukturen großer übersteuerter Defekte ergibt. Zusätzlich oder alternativ könnte auch der Beleuchtungswinkel, beispielsweise durch Verschwenken der Beleuchtungseinrichtung, veränderbar sein.

Die Messeinrichtung könnte in vorteilhafter Weise ein Kamerasystem bestehend aus mehreren Kameras umfassen, wobei sowohl Matrixkameras als auch Zeilenkameras eingesetzt werden könnten. Im Konkreten könnten die Kameras beispielsweise im Halbkreis symmetrisch zur Kante des Wafers angeordnet sein. Insbesondere könnten die Kameras schwenkbar angebracht sein, so dass das Objekt aus unterschiedlichen Kamerablickwinkeln aufgenommen werden könnte.

Um den kompletten Rand eines Wafers bei Randgreifung untersuchen zu können, sind zwei sequentielle Messungen erforderlich, wobei zwischen beiden Messungen ein Umgreifen des Wafers durchgeführt wird, so dass in der zweiten Messung Bereiche inspiziert werden können, die bei der ersten Messung durch das Handling verdeckt waren. Bei einer Messzeit von weniger als 15–20 Sekunden pro 300 mm Wafer – ohne Umgreifung, d.h. evtl. durch das Handling des Wafers verdeckte Bereiche werden als Ausschlusszone behandelt – bzw. von weniger als 30–40 Sekunden pro Wafer – inkl. Umgreifung und Messung der bei der ersten Rotation des Wafers durch das Handling verdeckten Bereiche -, wobei jeweils das Roboterhandling für die Zuführung des Wafers nicht mit eingerechnet ist, ist der Durchsatz des Systems ausgerichtet auf den praktischen Einsatz in der Produktion, bei der bspw. mit 60 oder mehr Wafern pro Stunde gearbeitet wird. Aus diesen Anforderungen bzgl. des Durchsatzes ergibt sich, dass die Belichtungszeit für die Aufnahme einer Bildzeile im Bereich von wenigen μs liegt, und somit besondere Anforderungen an die Empfindlichkeit der einzusetzenden Zeilenkameras, die Lichtstärke der Abbildungsoptik und die Intensität der Beleuchtungsquellen gestellt werden müssen. Für solch kurze Integrationszeiten erweist sich auf Seiten der Zeilenkameras die Verwendung von hochempfindlichen Time Delay Integration (TDI) Sensoren als vorteilhaft. Diese verwenden im Gegensatz zu herkömmlichen Zeilenkameras mehrere parallel angeordnete Einzelzeilen, die zeitlich versetzt ein und denselben linienförmigen Ausschnitt des zu erfassenden Objekts aufnehmen. Durch anschließende Integration der jeweiligen Einzelsignale wird ein deutlich verbessertes Bildsignal durch die Kamera geliefert und so eine insgesamt höhere Empfindlichkeit erreicht.

Für die Bildaufnahme können ferner spezielle vergrößernde Optiken eingesetzt werden, die sich durch eine hohe Auflösung, eine maximale Tiefenschärfe und zugleich eine hohe Lichtdurchlässigkeit auszeichnen, um die gewünschte Detektionsempfindlichkeit erzielen zu können.

Als Beleuchtung könnte für jede Kamera eine radialsymmetrische Dunkelfeldbeleuchtung eingesetzt werden, die es gestattet Defekte unabhängig von ihrer Orientierung erkennen zu können. Der Lichteinfall bei der Dunkelfeldbeleuchtung könnte variabel ausgeführt sein, so dass zu Zwecken einer höherer Informationsdichte mehrere Messungen am Objekt durchgeführt werden könnten, beispielsweise eine erste Messung mit einem Lichteinfall von 20° und eine nachfolgende Messung mit einem Lichteinfall von 45°. Alternativ zu sequentiellen Messungen mit geänderten Einstellungen – Beleuchtungsstärke, Beleuchtungswinkel, Kamerablickwinkel, etc. – mittels eines einzigen Systems ist es ebenfalls denkbar, mehrere Systeme mit jeweils unterschiedlichen Anordnungen zu integrieren, auf denen die Messungen mit geänderten Einstellungen parallel durchgeführt werden können, um den Durchsatz bei der Qualitätsprüfung nicht zu reduzieren.

Die prinzipiell, d.h. theoretisch, erreichbare Tiefenschärfe eines solchen optischen Systems ist dennoch nach oben beschränkt. Aus diesem Grund wird zusätzlich eine Nachführung des Kamera- und Beleuchtungssystems zur Einhaltung eines konstanten Abstands zum Rand des Wafers eingesetzt, um zulässige Geometrieabweichungen des Wafers selbst und Auslenkungen während der Rotation des Wafers durch das Handlingsystem kompensieren zu können.

Da die Vergleichbarkeit der Messungen zwischen baugleichen Systemen in der Produktion eine entscheidende Rolle spielt, könnten Mechanismen eingesetzt werden, um die gegenseitige Abstimmung verschiedener Systeme im Sinne einer Kalibrierung zu integrieren.

Langzeitschwankungen der Messresultate aufgrund von Alterungsprozessen von einzelnen Komponenten, z.B. in Form von Variationen der Lichtstärke der Beleuchtungsquellen, sowie aufgrund von Umwelteinflüssen, beispielsweise Temperatureinflüssen, könnten an der Messeinrichtung durch integrierte Methoden auf der Basis von regelmäßig durchgeführten Kontrollmessungen und statistischen Auswertungen dieser Ergebnisse im Hinblick auf eine Langzeitstabilisierung des Messsystems ausgeglichen werden.

Sowohl für die Kalibrierung als auch für die Langzeitstabilisierung ist neben der Verwendung von mehrmals vermessenen, der normalen Produktion entnommenen Objekten – Referenzteile – auch der Einsatz von speziell für diese Aufgaben hergestellten und definierten Messobjekten – Masterteile – vorgesehen.

Da Messprinzipien, die derzeit zur Qualitätsprüfung von glatten Oberflächen, insbesondere Waferoberflächen, eingesetzt werden (strukturiertes Licht und Streulichtauswertung), selbst mit – im Vergleich zu der beispielsweise bei der Untersuchung von Waferoberflächen üblichen Genauigkeit im Nanometerbereich – deutlich reduzierten Anforderungen nicht auf gekrümmte Oberflächen übertragbar sind, stellt die optische Inspektion mit Bildverarbeitungsmethoden einen Alternativansatz dar. Dieser bietet darüber hinaus auch die Möglichkeit einer mit visueller Klassifikation vergleichbaren trainierbaren Klassifikation als integrierten Bestandteil des Systems.

Die Randzone des Wafers wird in den kommenden Jahren durch den absehbar vermehrten Einsatz des innerhalb der SEMI-Standards empfohlenen Randhandlings ein immer entscheidenderes Qualitätskriterium für Siliziumscheiben darstellen. Für die Produktion von doppelseitig prozessierbaren Wafern im 300 mm Bereich scheidet das bisher größtenteils angewandte Vakuumhandling auf der Rückseite aus, weil eine solche Berührung des Wafers stets mit Kontaminationen auf der Oberfläche einhergeht. Daher bleibt bei dieser Technologie nur die Möglichkeit, über Randgreifung und Randhandling die Produktion und Weiterverarbeitung von Wafern zu bewerkstelligen.

Auch im Bereich der waferverarbeitenden Industrie wird durch zunehmende mechanische Beanspruchung der Waferkante aufgrund des Randhandlings in neuen Fertigungslinien der Bedarf an automatisierten Kontrollsystemen für die Kante des Wafers steigen. Bei erfolgreichem Einsatz des Verfahrens (ausgehend von Anwendungen im Rahmen der Wareneingangsprüfung) ist auch in diesem Bereich der mehrmalige Einsatz innerhalb der jeweiligen Fertigungslinien zu erwarten.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 18 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung wer den auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 in einer perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand und
2 in einer perspektivischen Darstellung die Messeinrichtung der Vorrichtung aus 1 in größerem Detail.
1 zeigt – schematisch – in einer perspektivschen Ansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, insbesondere von aus Silizium hergestellten Waferscheiben.
Die eigentliche Messeinrichtung 1, die weiter unten im Detail beschrieben wird, ist auf einem Grundgestell 2 angeordnet, das möglichst erschütterungsfrei gelagert ist. Neben dem Grundgestell 2 ist eine Beleuchtungseinrichtung 3 bereitgestellt, die insgesamt sechs Hochleistungs-Kaltlichtquellen 4 umfasst. Jeder Lichtquelle 4 ist ein Lichtleiter 5 zugeordnet, über den das Licht der Lichtquellen 4 der Messeinrichtung 1 zugeführt wird. Unterhalb der Beleuchtungseinrichtung 3 ist eine Verstärkereinheit 6 für die motorische Ansteuerung zur Nachregelung der Eigenschaften der Abbildungsoptiken 7 der Messeinrichtung 1 (siehe 2) im Sinne eines Vario-Fokus vorgesehen.
Die weiter dargestellte Auswerteeinrichtung 8 umfasst insgesamt sechs Auswertungs-Industrie-PCs 9, wobei die PCs 9 den insgesamt sechs Kamerasystemen 10, 11, 12, 13, 14, 15 derart zugeordnet sind, dass je ein PC 9 die Messdaten eines Kamerasystems 10 bis 15 verarbeitet. Ein Hub 16 dient zur Kommunikation zwischen den Auswertungsrechnern 9, die über Netzwerkverbindungen an dem Hub 16 angeschlossen sind.
Es ist eine einheitliche zentrale Bedienerschnittstelle über einen einzigen Arbeitsplatz 17 mit Hilfe von Switches 18 für Maus 19, Tastatur 20 und Bildschirm 21 vorgesehen.
2 ist eine ausschnitthafte Vergrößerung von 1 und zeigt in perspektivischer Darstellung – schematisch – eine Messeinrichtung 1 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in größerem Detail. Bei dem zu untersuchenden Objekt handelt es sich um einen Wafer 22, dessen Rand einer optischen Qualitätsprüfung unterzogen werden soll. Der Wafer 22 wird der Messeinrichtung 1 über einen nicht dargestellten Handling-Roboter zugeführt, wobei die Übernahme des Wafers 22 vom Handling-Roboter bzw. die Übergabe des Wafers 22 an den Handling-Roboter nach Abschluss des Messvorgangs über die Loading Pins 23 erfolgt. Ein Chuck-Drive 24 sorgt für die Rotation des Wafers 22.
Insgesamt sind sechs Kamerasysteme 10 bis 15 vorgesehen, wobei zwei Kamerasysteme 10, 11 vertikal von oben auf die obere Randzone des Wafers 22, zwei Kamerasysteme 12, 13 von unten auf die untere Randzone sowie zwei Kamerasysteme 14, 15 horizontal auf den seitlichen Rand des Wafers 22 ausgerichtet sind. Jedem der Kamerasysteme 10 bis 15 ist eine kombinierte vergrößernde Abbildungsoptik 7 zugeordnet, mittels derer das von dem Wafer 22 infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht auf das jeweilige Kamerasystem 10 bis 15 abbildbar ist.
Über die sechs Lichtleiter 5, von denen in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Endstücke dargestellt sind, wird das Licht der Hochleistungs-Kaltlichtquellen 4 eingespeist. Für den oberen Messkopf 25 mit den beiden Kameras 10 und 11 sowie für den unteren Messkopf 26 mit den beiden Kameras 12 und 13 wird das über die Lichtleiter 5 eingespeiste Licht jeweils optischen Komponenten 27 zur Erzeugung einer Dunkelfeldbeleuchtung zugeführt. Bei der Dunkelfeldbeleuchtung wird erreicht, dass das ungebeugte Hauptmaximum 0. Ordnung nicht in der optischen Achse liegt und somit von der Beobachtung ausgeschlossen ist. Dadurch lassen sich dünne lineare Strukturen, wie z.B. Kanten oder Kratzer besonders vorteilhaft sichtbar machen.
Der horizontal angeordnete mittlere Messkopf 28 mit den beiden Karnerasystemen 14 und 15 arbeitet mit zwei unterschiedlichen Beleuchtungen. Bei dem hinteren Kamerasystem 14 wird das Licht ebenfalls – wie oben beschrieben – im Sinne einer Dunkelfeldbeleuchtung auf den seitlichen Rand des Wafers 22 eingestrahlt. Für das vordere Kamerasystem 15 sind hingegen optische Komponenten 29 vorgesehen, mit der eine Hellfeldbeleuchtung erzeugt wird. Bei der Hellfeldbeleuchtung fallen die Lichtbündel für Beleuchtung und Beobachtung zusammen, und das von dem Kamerasystem 15 aufgenommene Bild erscheint dunkel vor hellem Hintergrund.
Zur Justage der korrekten Relativlage zwischen Wafer 22 und den einzelnen Messköpfen 25, 26, 28 sind diverse Zustelleinrichtungen vorgesehen, nämlich zum einen eine horizontale Nachführung 30 und eine vertikale Nachführung 31 zur horizontalen und vertikalen Zustellung des Wafers 22, und andererseits eine zusätzliche vertikale Nachführung 32 zur vertikalen Nachführung des Messkopfes 28 an der Kante des Wafers 22. Die Nachführungen 30, 31, 32 sind von einer – nicht dargestellten – Steuerungs- und Regelungseinheit ansprechbar, die innerhalb kürzester Reaktionszeiten auf Änderungen der Relativlage zwischen dem Wafer 22 und den Messköpfen 25, 26, 28 reagiert und über einen entsprechenden Regelungsprozess die Position korrigiert.
Auf den Auswertungsrechnern 9 ist eine Bildverarbeitungssoftware implementiert, die die aktuelle Position der Messköpfe 25, 26, 28 bezüglich der Kante des Wafers 22 detektiert. Aus den aufgenommenen Bilddaten des Randbereichs des Wafers 22 werden über die Software Defekte detektiert und extrahiert und sodann einer Klassifikation unterzogen. Die ausgewerteten Daten werden schließlich benutzergerecht aufgearbeitet und am Arbeitsplatz 17 zur Ansicht auf dem Bildschirm 21 und zur weiteren Analyse bereitgestellt.
Abschließend sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erläuterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Verfahren zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, bei dem Licht auf den Rand des Objektes gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels einer Messeinrichtung (1) detektiert wird und anhand der detektierten Bildsignale Defekte an und/oder in dem Objekt ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt zumindest teilweise lichtdurchlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Objekt um einen Wafer (22) handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsprüfung automatisiert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Defekte automatisch klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Defekte mittels Bildverarbeitungsmethoden klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Defekte anhand von Form- oder Intensitätsmerkmalen über parametrierbare Bereiche klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Defekte anhand bereits erfasster Bildsignale in einem Defektkatalog klassifiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse zur Anzeige und zur Protokollierung aufbereitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Objekt und der Messeinrichtung (1) automatisch überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) in Abhängigkeit von dem zwischen dem Objekt und der Messeinrichtung (1) detektierten Abstand automatisch durch eine motorische Einheit horizontal und/oder vertikal nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position der Messeinrichtung (1) bezüglich des Randes des Objektes aus den aufgenommenen Bildsignalen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position der Messeinrichtung (1) bezüglich des Randes des Objektes mittels einer zusätzlichen Sensorik bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Position der Messeinrichtung (1) bezüglich des Randes des Objektes mittels einer kapazitiven Messung und/oder mittels Lasertriangulation bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Umfangs des Objekts Messwerte im Abstand von 2 μm aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich des Objekts in Richtung auf das Kantenprofil Messwerte im Abstand von 2 μm aufgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich des Objekts Defekte ab einer Größe von weniger als 1 μm detektiert werden.
Vorrichtung zur optischen Qualitätsprüfung von Objekten mit vorzugsweise kreisförmig umlaufendem Rand, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17, mit mindestens einer Licht emittierenden Beleuchtungseinrichtung (3) zur Beleuchtung des Randes des Objektes, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung (1) umfassend eine Abbildungsoptik (7) sowie mindestens eine Kamera, auf die das von dem Objekt infolge von Reflexion, Brechung und/oder Beugung ausgehende Licht mittels der Abbildungsoptik (7) abbildbar ist, und eine Auswerteeinrichtung (8), mit der anhand der detektierten Bildsignale Defekte an und/oder in dem Objekt ermittelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (3) eine LED, eine Kaltlichtquelle (4), einen Laser oder eine herkömmliche Lichtquelle umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (3) einen Spiegel und/oder eine Linse und/oder einen Filter umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinrichtung (3) unterschiedliche Beleuchtungsstärken erzeugbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinrichtung (3) unterschiedliche Beleuchtungswinkel einstellbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (7) ein Objektiv und/oder einen Spiegel und/oder einen Filter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filter um einen Polarisationsfilter und/oder einen Wellenlängenfilter handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (1) ein Kamerasystem (10, 11, 12, 13, 14, 15) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem (10, 11, 12, 13, 14, 15) eine Matrixkamera und/oder eine Zeilenkamera umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera zur Einstellung unterschiedlicher Kamerablickwinkel verschwenkbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Zeilenkamera um eine Standard-Zeilenkamera mit einem Pixel je Bildpunkt oder um eine Time-Delay-Integration-Zeilenkamera mit mehreren Pixeln je Bildpunkt handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 28, gekennzeichnet durch eine Verbindung zur Kommunikation zwischen der Messeinrichtung (1) und der Auswerteeinrichtung (8).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 29, gekennzeichnet durch eine Bedienerschnittstelle zur Steuerung und zur Analyse der Daten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 30, gekennzeichnet durch eine motorische Einheit für Steuerungsaufgaben im Bereich des Objekthandlings.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die motorische Einheit einen Chuck-Drive (24) zur Rotation des Objektes aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die motorische Einheit Loading Pins (23) für die Übernahme des Objektes von einem Roboterarm und für die Übergabe des Objektes an den Roboterarm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (27, 29) eine Auflichtanordnung besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Komponenten (27) eine Dunkelfeldanordnung besitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichteinfall bei der Dunkelfeldbeleuchtung veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 36, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Regelung der Fokusebene der Abbildungsoptik (7).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 37, gekennzeichnet durch eine motorische Einheit zur Nachregelung der Abbildungseigenschaften der Optik im Sinne eines Vario-Fokus.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 38, gekennzeichnet durch eine Steuerungs-/Regelungseinheit zwischen Messwerterfassung und Bildaufnahme.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 39, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Nachführung der Messeinrichtung (1) bezüglich des ortsfest gehaltenen Wafers (22) und/oder zur Nachführung des Wafers (22) bezüglich der ortsfest gehaltenen Messeinrichtung (1).