JP2007234932A - 外観検査装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ウエハなどの基板の外観検査を速やかに行えるようにすることを主な目的とする。
【解決手段】外観検査装置1は、ウエハWを回転させる回転ステージ11と、ウエハWを直線的に移動させるスキャンステージ10とを有し、ライン照明14で照明したウエハWの表面の画像をラインセンサカメラ20で撮像するように構成されている。制御部3は、ラインセンサカメラ20が1ライン分の画像を取り込むたびに、スキャンステージ10と、回転ステージ11とを所定量ずつ駆動させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体ウエハなどの基板の外観を検査する装置に関する。
半導体の製造工程では、最初に前工程として半導体ウエハ(以下、単にウエハと称する)の表面上に、例えば酸化膜(SiO2)を形成し、この酸化膜上にシリコン窒化膜の薄膜を堆積させることがある。次に、フォトリソグラフィー工程に移ってウエハの表面上にフォトレジスト(感光性樹脂)の薄膜を塗布する。その後、ウエハのウエハエッジ部にリンス液を適量滴下してウエハのウエハエッジ部のフォトレジストを所定幅だけカットする。
次に、ステッパーなどの露光機において、半導体の回路パターンが形成されたマスクを通して紫外線をフォトレジストを塗布したウエハに照射し、半導体の回路パターンをフォトレジストに転写する。回路パターンを現像して、例えば露光部のフォトレジストを溶剤で溶解させると、露光されなかったレジストパターンが残るので、ウエハの表面上に残ったレジストパターンをマスクにしてウエハの表面上の酸化膜とシリコン窒化膜とを連続的に選択除去(エッチング)する。その後、ウエハの表面上のレジストパターンをアッシングで除去してから(レジスト剥離)、ウエハを洗浄して不純物を取り除く。
このような半導体の製造工程においては、製造工程ごとに外観欠陥検査が行われる。この外観欠陥検査では、例えば半導体ウエハの表面上の傷や塵の付着、クラック、汚れ、むらなどの欠陥部の有無や状態が調べられる。このような目的に使用される検査装置には、ウエハを回転させながら撮像装置でウエハ表面の画像を取得するように構成したものがある(例えば、特許文献1参照)。さらに、近年では、ウエハのエッジカット量や分布などの観察が要求されている。クラックが生じるとウエハが割れることがあり、フォトレジストのカット幅(以下、エッジカットライン幅と称する)を検出することも、それ以降の工程で処理を進めて良品の半導体ウエハを製造する上で重要な検査項目となる。ウエハエッジ部の検査を行う検査装置は、回転テーブル上のウエハのエッジ部分に撮像装置を向けた構成を有する(例えば、特許文献2参照)。
特表2001−524205号公報 再公表第WO2003/028089号公報
しかしながら、ウエハ表面には種々の形状のパターンなどが形成されているので、光学系に対するウエハの撮像角度によっては、ウエハから撮像手段に入る光量が著しく異なることがある。このため、従来の外観検査装置では、良好な光学条件を設定するための作業を外観検査に先立って実施する必要であった。このような作業は、煩雑で時間を要するため、半導体の製造工程で生産性を向上させるためには、このような作業を迅速に行えるようにすることが望まれていた。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウエハなどの基板の外観検査を速やかに行えるようにすることを主な目的とする。
上記の課題を解決する本発明は、基板の表面を所定長さで撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段で得られる画像を記憶する画像記憶手段と、前記撮像手段の像面に対して前記基板を中心回りに相対的に回転させる回転手段と、前記撮像手段で取得する画像の長さ方向に直交する方向に前記基板を直線移動させる走査手段と、予め定められた回転角度だけ前記基板を回転させつつ前記撮像手段で画像を取得するたびに前記走査手段を所定量ずつ駆動させる制御部とを含む外観検査装置とした。
この外観検査装置は、撮像対象となる表面について、撮像装置でサンプリングできる全てのポイントについて全角度方向からの撮像を行う。この際に得られる生データの画像は、基板を回転手段によって回転方向に360°回転させる度に走査手段により直線移動させた連続した画像になる。
本発明によれば、基板を全ての回転方向から撮像した情報を一括して取得することができる。したがって、撮像角度によって画像が異なる基板を撮像するときに、予め撮像角度を調整する必要がなくなる。また、従来のように直線運動によって基板の全面を撮像した後に、基板の回転角度を変えて同じ処理を繰り返す場合に比べて、処理時間を大幅に短縮することが可能になる。
以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各実施の形態において同じ構成要素には、同一の符号を付してある。また、各実施の形態において重複する説明は省略する。
(第1の実施の形態)
図1に示すように、基板の外観検査装置1は、円形の基板である半導体ウエハW(以下、ウエハWする)の検査を行う検査部2と、検査部2の制御やデータ処理を行う制御部3とを有する。
検査部2は、一軸方向に移動可能な走査手段であるスキャンステージ10を有する。スキャンステージ10には、例えば、リニアガイドなどが用いられる。スキャンステージ10上には、ウエハWを載置する回転ステージ11が設けられている。回転ステージ11は、回転機構にウエハWと同心円形状の載置部12が取り付けられた回転手段である。回転ステージ11の上方には、撮像手段13が配置されている。撮像手段13は、像面がウエハWの中心を通るように配置されたラインセンサカメラ20と、シリンドリカルレンズ21によって構成されている。さらに、載置部12を挟んで照明手段として、像面を照明するライン照明14を有する。ラインセンサカメラ20の撮像素子は、その長手方向がスキャンステージ10の移動方向と直交するように配置されている。さらに、ラインセンサカメラ20のウエハW表面の撮像範囲は、直線状になっており、その長さがウエハWの半径よりも長いがウエハWの直径よりは短くなっている。なお、スキャンステージ10の走査範囲は、ウエハWの全面をラインセンサカメラ20で撮像できるような範囲である。
制御部3は、中央処理装置、内部メモリ、外部記憶装置などを有する制御コンピュータである。制御部3は、駆動撮像制御手段30と、画像記憶手段31と、座標変換手段32と、欠陥抽出手段33と、表示手段34と、直線計測手段35とに機能分割することができる。
駆動撮像制御手段30は、ラインセンサカメラ20と、回転ステージ11とに接続されており、ラインセンサカメラ20から1ラインずつの画像データを出力させる出力指示と、回転ステージ11の駆動指示とを連動して生成する。さらに、スキャンステージ10にも接続されており、ラインセンサカメラ20の出力とスキャンステージ10の走査とを連動できるようになっている。なお、駆動撮像制御手段30の具体的な構成例としては、コンピュータにラインセンサカメラ20を制御する撮像ボードと、スキャンステージ10、回転ステージ11の走査及び回転駆動を制御する2軸モータ制御ボードなどを有し、それぞれのボードを個別に動作させるドライバソフトと、それらドライバソフトを連動させるアプリケーションソフトがインストールされたシステムなどがあげられる。
画像記憶手段31は、ラインセンサカメラ20から出力される1ラインごとのデータ(生データ)を順次記憶する。
座標変換手段32は、例えば、生データから直交座標のデータに変換したり、生データから極座標のデータに変換したりする処理をする。座標変換手段32によって変換するデータとしては、ウエハWの画像である画像データ、ウエハWから抽出した欠陥の座標や欠陥の有無を示す欠陥位置データ、特定の位置を測定した場合の測定位置の座標からなる測定位置データの3種類がある。なお、欠陥位置データ、測定データは、画像上の点を示す座標、領域を示す座標のため共通の変換式を使用できる。
欠陥抽出手段33は、良品のウエハWを撮像した良品画像と、検査した実際の画像との画素比較などを公知の画像処理技術によって実施し、欠陥位置データを作成する。ここで、比較する画像の座標系は、生データ、直交座標、極座標の3種類を使用できるようになっている。画素比較する画像は、座標系を問わないので、画像座標系の違いに依らずに同一の手法で抽出処理を行える。
表示手段34は、例えば、図2に一例を示すようなGUI(Graphical User Interface)を提供し、表示可能な座標系及びデータを選択させ、その内容を表示する。GUIは、座標系選択部41と、表示データ部42と、画像43とを有する。座標系選択部41は、直交座標と、極座標と、生データとを択一に選択できるラジオボタンを有する。表示データ部42は、画像と、計測位置と、欠陥位置とを重複可能に選択できるチェックボックスを有する。画像43は、座標系選択部41と表示データ部42とで選択された画像を表示する。なお、計測位置とは、画像上の任意の2点間を直線で結び、その直線距離を求めた場合の2つの点の座標である。図8では、ウエハWのエッジ幅を6ヶ所で計測しており、計測した2点の座標を計測位置47として表示している。
直線計測手段35は、極座標が選択され、ウエハW上の同心円形状が直線形状として画像化されたときに、測定したい部位間の距離を輝度の変化から測長するなど、一般的な画像計測方法を実施する。
次に、この実施の形態の作用について説明する。
この外観検査装置1では、図3のフローに従って画像を撮像する。
最初に、駆動撮像制御手段30がラインセンサカメラ20で撮像する領域を設定する。まず、ラインセンサカメラ20のライン幅数Wdを設定する(ステップS101)。なお、1画素の撮像幅はD(μm)で固定されているものとする。次に、ラインセンサカメラ20で回転撮像するライン数Hrを設定し(ステップS102)、さらにスキャン撮像するライン数Hyを設定する(ステップS103)。また、1ライン当たりの回転ステージ11で回転量R(°)を設定し(ステップS104)、1ライン当たりのスキャンステージ10で移動量U(μm)を設定する(ステップS105)。
回転ステージ11を開始位置に移動させたら(ステップS106)、ラインセンサカメラ20で1ライン分の撮像を開始する(ステップS107)。撮像が完了したら、回転撮像ライン数Hrに達したか確認する(ステップS108)。回転撮像ライン数Hrに達していないときには(ステップS108でNo)、回転ステージ11を一定量Rだけ回転させ(ステップS109)、ステップS107に戻る。そして、回転撮像ライン数Hrに達したら(ステップS108でYes)、回転ステージ11を開始位置に戻す(ステップS110)。撮像が完了したら、スキャン撮像ライン数Hyに達したか確認する(ステップS111)。スキャン撮像ライン数Hyに達していなければ(ステップS111でNo)、スキャンステージ10を一定量Rだけ移動させ(ステップS112)、ステップS107に戻る。スキャン撮像ライン数Hyに達したら(ステップS111でYes)、ここでの処理を終了する。
これによって、スキャン方向にU×Hy(μm)の長さで、半径Wd×D(μm)の領域において、スキャン方向にU(μm)だけ進む度に、Hr×R(°)回転した画像が撮像される。このときラインセンサカメラから出力されるデータが、生データ(サイクロイドデータ)になる。図4に示すように、生データは、同じスキャンステップ量で回転角度量が1ステップずつ変化したラインデータ(1ラインごとの画像データ)を配列したものになる。なお、図中のMは、ライン数Hyに相当し、Nはライン数Hrに相当する。
生データの座標系における画像は、前記した図2の画像43のようになる。図2には、ラインセンサカメラ20で取得した全ての画像の一部のみが示されており、画像43をスクロールさせれば残りの領域を表示させることができる。GUI上では、座標系選択部41において生データ座標のラジオボタンがONになり、表示データ部42において画像のチェックボックスがONになっている。
生データを直交座標データに変換するときには、座標変換手段32がラインデータの配列を並べ替える。具体的には、図5に示すように、ラインデータが回転ステップ量でスキャンステップ量が1ステップずつ変化するように並び替えられる。このデータ配列は、回転角度が1ステップずつ異なる直交画像をN枚連続させたときの配列に相当する。図6に、直交座標で表示される画像の一例を示す。画像44は、幅方向にWdピクセル、高さ方向にHr×Hyピクセルの画像になっており、ウエハWの外観と、ウエハW上のパターンとが表示される。なお、GUI上では、座標系選択部41において直交座標のラジオボタンがONになり、表示データ部42において画像のチェックボックスがONになっている。直交座標に変換して画像表示させることで、作業者が基板画像を直感的に認識し易くなる。
ここで、欠陥抽出した結果を確認したいときには、表示データ部42において画像のチェックボックスに加えて、欠陥位置のチェックボックスもONにする。図7に示すように、欠陥抽出手段33によって抽出されたウエハWの欠陥位置を示す画像がオーバーレイされる。ウエハWなどの矩形データが繰り返して表面にあるような基板では、露光装置の合焦の不良(デフォーカス)による欠陥など直交座標系に対して直線的に繰り返して欠陥などが発生することがある。直交座標系の画像44では、そのような欠陥を予め登録されている情報、又は作業者の目視によって容易に分類することができる。また、撮像角度範囲を選択した上で、生画像から直交座標系に変換すると、各回転ステップ量ごとの画像データが複数生成されているので、指定したある回転ステップ量のみで欠陥抽出することができる。また、一定範囲内の角度に含まれる複数の画像に対して欠陥抽出することもできる。
また、生データから極座標のデータへの変換では、座標変換手段32が生データを直交座標のデータ配列に変換した後に、直交座標から極座標に変換する。具体的には、生データのラインデータの配列を直交座標の配列に並べ替えた後、各角度の直交画像について、変換先を(Xi,Yi)、変換元を(xi,yi)として以下の式を用いて座標変換する。
Figure 2007234932
図8に極座標系の画像を表示させた例を示す。GUI上では、座標系選択部41において極座標のラジオボタンがONになっている。表示データ部42は、画像のチェックボックスと、計測位置のチェックボックスの両方がONになっている。また、図8では、表示データ部42で計測位置もONになっており、計測位置を示す画像47が画像46にオーバーレイされている。
図9に示すように、極座標系の画像50を表示させる場合には、ウエハWの同心円形状を直線形状として表示させることができ、ウエハWの回転方向の変化が、直線方向の変化として表示される。なお、図9には、ウエハWの周縁のエッジW1と、エッジカット部W2と、ノッチN1とが図示されている。このため、ウエハWを回転ステージ11から交換したときなどに、ウエハWの載置位置がずれた場合には、画像を直線方向にシフトさせるだけで回転方向の誤差を容易に補正できる。そのため、アライメント時に回転方向の検出を省略することができる。例えば、図9の画像50が得られ場合には、画像処理によってノッチを検出して領域51に相当する画像分だけラインデータをシフトするように並べ替えると、図10に示すような画像52が得られる。この画像52は、上方向に直線移動させた画像であるが、実際には、θ方向に回転させた画像に相当する。従来、直交座標系の画像では、直交座標のXY方向のずれ量については予め登録したパターンによるマッチング処理等で容易かつ短時間で補正可能なのに対して、回転ずれの補正には画像処理に時間が掛かかっていた。しかしながら、極座標系を選択することで、ラインデータのシフトだけで足りるので、処理が非常に高速になる。また、検出した欠陥を特定する際には、直交画像では特定し難い同心円形状の欠陥が直線成分として現れるので、欠陥抽出の処理が容易になる。
また、直線計測手段35を用いて、エッジカット計測を行う場合について説明する。図11に示すように、測定したい部位L1の画像の輝度プロファイルを取得する。部位L1の長さは、直交座標系では同心円の径方向の幅に相当する長さである。ここで、ウエハWのエッジW1と外部の境界は、輝度の変化が大きい。また、エッジカットして露出したウエハWの表面(エッジカット部W2)と、レジスト等を塗布した内面と境界も輝度の変化が大きい。このため、これら境界に相当する部分にピークを有する輝度プロファイルP1が得られるので、予め設定してある閥値K1との交点間の長さLG1で測長する。なお、測定結果は、表示手段34に表示される。
この実施の形態によれば、ウエハWを所定量回転させるたびに、スキャン方向に所定量だけ進ませながら画像を撮像するようにしたので、ウエハWの各画素について、全ての回転方向から撮像した情報が得られる。これによって撮像方向によって画像が異なるウエハWを撮像するときに、予め撮像角度を調整する必要がなくなる。したがって、一括撮像した画像で有効な欠陥検出ができる。一般的にステージスキャンを移動する速さより、回転ステージを回転する方が圧倒的に速いため、従来のように回転方向を固定した上でウエハWの全領域をスキャンする方法よりもウエハW全面を撮像する処理時間を大幅に短縮することが可能になる。
また、撮像した画像のデータの配列を適宜変更することで直線的な配列や欠陥、回転方向に延びるような配列や欠陥をそれぞれを確認し易くなる。回転方向の位置ずれは、ラインデータをシフトさせるだけで足りるので、ずれ補正に要する時間を短縮できる。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態は、第1の実施の形態の構成に加えて、最適角度検出手段をさらに有することを特徴とする。
図12に示すように、最適角度検出手段61は、スキャンステージ10を固定した状態で極座標画像内で所定のラインに対して回転ステージ11を回転させてウエハWの表面の角度別の輝度分布を取得し、最適な角度を検出する。例えば、図13に示す部位L2の角度ごとのラインデータを取得し、平均輝度値のグラフ62を作成する。このグラフ62を用いると平均輝度値が最大の角度θ1を最適な角度として算出できる。
このグラフ62は、最適角度を算出する過程の中間データとして、表示手段34によって表示させることが可能である。表示手段34に表示させると作業者が確認し易くなる。この場合には、算出された最適角度の値を検出角度の表示部63に合わせて表示させるとさらに分かり易くなる。表示手段34は、検出角度の表示部63のみを表示させても良い。なお、グラフ62と検出角度の表示部63の両方を表示させる場合には、作業者がグラフ62を確認した上で検出角度の表示部63に所定の角度を入力し、この角度を最適角度に設定しても良い。
最適角度が算出、又は入力された場合には、以降はその角度に固定して検査を実施するだけでも欠陥の検出等が可能になる。最適角度で固定した状態で画像を取得する場合の駆動撮像制御手段30の処理を図14に示す。まず、ラインセンサカメラ20でスキャンして撮像するライン数を設定する(ステップS201)。回転ステージ11を最適角度位置に移動させる(ステップS202)。さらに、スキャンステージ10で1ライン当たりの移動量を設定する(ステップS203)。
次に、ラインセンサカメラ20で1ライン分のデータの撮像を開始する(ステップS204)。撮像が完了したら、スキャン撮像するライン数に達したか確認する(ステップS204)。ライン数に達していなかったら(ステップS204でNo)、スキャンステージ10を一定量移動させ(ステップS205)、ステップS204に戻る。そして、規定のライン数に達したら(ステップS204でYes)、ここでの処理を終了する。
このように、処理が簡単になると共に、全てのデータを毎回取得する必要がなくなるので、検査のタクトタイムを短縮できる。その他の効果は、前記の実施の形態と同様である。
なお、本発明は、前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することができる。
例えば、ラインセンサカメラ20の代わりにエリアセンサを使用し、ライン照明21の代わりにエリア照明を使用しても良い。
また、光学系の構造は、明視野、暗視野、干渉光、回折光など、適宜選択できる。
高速回転ステージ(スピンコータ)を回転ステージ11に使用しても良い。同様の画像を取得する機構の変形例としては、回転ステージ11を回転させる代わりに撮像手段13をウエハWを中心にして回転させても良い。この場合、ウエハWを保持する方法として、ウエハWのエッジW1を保持するロボットなどを使用しても良い。さらに、ロボットでウエハWを裏返えすと、ウエハWの裏面に対しても同様の撮像ができる。
照明の明るさや、カメラの感度をウエハWの円中心付近とエッジ部分で同じ明るさになるように予め設定しておけばウエハW全体を同じ明るさで撮像することもできる。この場合には、例えば、中心から外周に向かって明るく撮像できるように照明条件や、感度を設定する。
また、本発明の実施の形態では、照明手段からウエハWで正反射した光を撮像するものとして説明したが、照明手段と撮像手段にウエハ撮像位置を中心にして回転するように回動手段を設けて、回折光や散乱光を撮像するようにしても良い。
図17に示すように、撮像手段13が1ラインでウエハW全面を撮像できるラインセンサカメラ20とシリンドリカルレンズ21を有し、照明手段としてライン照明14を有する場合には、1ラインのラインセンサカメラ20AをウエハW中心で2分割して撮像することで、スキャンステージ10のスキャン範囲をウエハWの長さの半分だけ移動するだけでウエハWの全範囲を撮像することができる。この場合には、回転ステージ11の回転角度量を360°から180°にすることができる。
この外観検査装置1の検査対象は、半導体ウエハに限定されない。ガラス基板等のその他の基板でも良い。基板の外形は、円形に限定されずに四角形でも良い。
本発明の実施の形態に係る外観検査装置の概略構造を示す図である。 生データの画像表示の一例を示す図である。 外観検査装置の処理を示すフローチャートである。 生データのデータ配列を示す図である。 生データを直交座標用のデータ配列に変換した図である。 直交座標系で表示される画像の一例を示す図である。 直交座標系で表示した画像に欠陥位置をオーバーレイした図である。 極座標系で表示した画像に測定位置をオーバーレイした図である。 極座標系で表示した画像であって、ウエハの周縁部を拡大して表示した図である。 図9の画像を周方向にシフトさせた図である。 ウエハのエッジ部分の長さを測定する処理を説明する図である。 外観検査装置の概略構成を示す図である。 最適角度を算出する処理を説明する図である。 最適角度における撮像時の処理を説明するフローチャートである。 撮像手段の他の形態を示す図である。
符号の説明
1 外観検査装置
3 制御部
10 スキャンステージ(走査手段)
11 回転ステージ(回転手段)
13 撮像手段
31 画像記憶手段
32 画像変換手段
33 欠陥抽出手段
34 表示手段
35 直線計測手段
61 最適角度検出手段
62 グラフ(中間データ)
63 検出角度の表示部
W ウエハ(基板)
W1 エッジ(エッジ部位)

Claims (10)

  1. 基板の表面を所定長さで撮像可能な撮像手段と、前記撮像手段で得られる画像を記憶する画像記憶手段と、前記撮像手段の像面に対して前記基板を中心回りに相対的に回転させる回転手段と、前記撮像手段で取得する画像の長さ方向に直交する方向に前記基板を直線移動させる走査手段と、予め定められた回転角度だけ前記基板を回転させつつ前記撮像手段で画像を取得するたびに前記走査手段を所定量ずつ駆動させる制御部とを含む外観検査装置。
  2. 前記走査手段を固定して前記回転手段を予め定められた角度ごとに前記撮像手段によって撮像した画像データを取得し、撮像に最適な回転角度を算出する最適角度算出手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の外観検査装置。
  3. 前記基板の表面に加えて周縁部の裏面及びエッジ部位も同時に撮像可能な撮像手段を備えることを特徴とする請求項1に記載の外観検査装置。
  4. 撮像した画像に基づいて画像処理によって欠陥抽出を行う欠陥抽出手段を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の外観検査装置。
  5. 画像を座標変換する座標変換手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の外観検査装置。
  6. 前記座標変換手段で変換可能な座標系を選択可能に表示すると共に、選択された座標系の画像と前記欠陥抽出手段で抽出した欠陥の情報との少なくとも一方を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項4に記載の外観検査装置。
  7. 前記基板の同心円形状の幅を直線形状に変換して計測する直線計測手段を備えることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の外観検査装置。
  8. 前記最適角度検出手段が最適な回転角度を算出する過程で生成する中間データと、最適な回転角度との少なくとも一方を表示する表示手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の外観検査装置。
  9. 撮像した画像に基づいて画像処理によって欠陥抽出を行う欠陥抽出手段を備えることを特徴とする請求項8に記載の外観検査装置。
  10. 前記制御部は、前記基板を一回転させるたびに前記走査手段を所定量だけ駆動させることを特徴とする請求項1に記載の外観検査装置。

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