JP2007292641A

JP2007292641A - 外観検査装置

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Publication number: JP2007292641A
Application number: JP2006121904A
Authority: JP
Inventors: Genya Matsuoka; 玄也松岡; Yasutsugu Usami; 康継宇佐見
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】外観検査装置で検出された欠陥をさらに詳細に検査する際に、外観検査装置のスループットに影響を及ぼさずに、かかる検査工程を行うことが可能な外観検査装置を提供する。
【解決手段】ウエハカセット４に収容された半導体ウエハ７を取り出して、取り出した半導体ウエハ７の表面の欠陥を検出する外観検査装置１を、ウエハカセット４から取り出した半導体ウエハ７の表面の光学像に現れる欠陥を検出する光学検査部１０と、検出された欠陥をさらに観察するための電子顕微鏡部４０と、ウエハカセット４から半導体ウエハを取り出して電子顕微鏡部４０に搬送する搬送機構８０と、を備えて構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハの表面の光学像を撮像し、その撮像画像に現れる欠陥を検出する外観検査装置に関する。

近年の半導体デバイスパターンの微細化に伴い、製品歩留を向上させるために、デバイス製造過程における外観検査による欠陥検出の役割がますます重要になっている。従来の外観検査では、処理速度が速い半導体ウエハの表面の光学像を捉える光学式外観検査が使用されてきた。
光学式外観検査を行う際には、検査対象物の表面に現れる欠陥を正確に検出するためには、検査対象物の表面の光学像を捉える光学顕微鏡の光学条件や、得られた光学像から欠陥を検出する際に使用する欠陥検出条件などの検査条件（レシピ）を最適化することが重要である。しかし従来用いられている光学式外観検査装置では、微細な半導体デバイスパターン上に存在する非常に小さい欠陥を捉えるには、分解能が既に不足しており、検査条件を最適化するための必要な情報をその光学像から得られない場合が多い。

このような事情から、現在では光学式外観検査で検出した欠陥を走査型電子顕微鏡（以下「ＳＥＭ」と記す）などの電子顕微鏡でさらに観察することによって、欠陥の態様に関する詳細な情報を得て、取得した情報に基づいて検査条件の最適化を行っている。この様子を図１を参照して説明する。
図１は、検査方法を含んだ従来の半導体デバイス製造工程における工程図である。Ｐ１１、Ｐ１２及びＰ１３は、半導体デバイス製造における各種の工程であり、例えばＰ１１はリソグラフィ工程、Ｐ１２はエッチング工程、及びＰ１３は製膜工程を示しているものとする。本例の工程では工程１２の後に外観検査を行う。

製造工程上のウエハは、工程Ｐ１２が完了した後に図示矢印ａに示すように外観検査装置１に運ばれて、工程Ｐ１１及びＰ１２によって形成されたパターンに現れる欠陥の外観検査が行われる。ここで従来の外観検査装置１は、下記特許文献１に開示されるような光学式外観検査装置である。外観検査装置１で検出された欠陥に関する欠陥情報は歩留管理装置２に送られる。
歩留管理装置２では、外観検査装置１から出力された欠陥情報を、様々な管理項目（例えば検査項目、ウエハの種別、検査箇所、製造プロセスの条件、製造を開始してからの期間など）に関連付けながら欠陥データベースに保存し、この欠陥データベースから導かれる統計的情報を監視して歩留低下の原因となった工程を特定し、その工程の作業者に警報を表示する、またはその工程を行う製造装置に対してプロセス条件の変更を指示する。

ところが、近年の半導体デバイスパターンの微細化に伴って検出すべき欠陥のサイズも小さくなったため、外観検査装置１による光学式検査だけでは欠陥の態様が十分に判明しなくなるケースが多くなってきた。このような場合には、図示矢印ｂに示すように他の種類の検査装置３にウエハを運び、外観検査装置１で検出した欠陥についてさらに詳細な検査を実行して欠陥種類などを特定する。通常検査装置３に使用するのは例えばＳＥＭのような電子線を用いた観察装置である。

検査装置３での検査によって欠陥の形状及び付着状況などの情報を得て、これらの情報を外観検査装置１にフィードバックする。そして、検査装置３からの情報に基づいて外観検査装置１の検査条件を見直しを行う。その上で再度ウエハを外観検査装置１に戻して（図示矢印ｂ）検査を行い、その検査結果を歩留管理装置２に提供する。検査を終えたウエハは再び製造ラインに戻される（図示矢印ａ）。

特開２００４−１７７３９７号公報特許第３０３９５６２号公報特開平１０−１５４４８１号公報国際公開第ＷＯ９９／３４４１８号パンフレット特開平８−１０１１２８号公報特開平３−２５７１７０号公報特開平４−３３３２６号公報

かかる従来方法では、ウエハの運搬工程が多くなるという問題があった。すなわちウエハを製造ラインから外観検査装置１へ搬送する工程（図示矢印ａ）に加えて、外観検査装置１の検査条件を見直すためにウエハを他の検査装置３へ運搬する工程（図示矢印ｂ）が必要となり、このため検査工程、ひいては半導体製造プロセス工程全体に要する時間が長くなるという問題があった。
このような問題点に鑑み、本発明では外観検査において検出された欠陥をさらに詳細に検査する際に、かかる検査工程が外観検査のスループットに及ぼす影響を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、光学式検査部を有する半導体ウエハ用外観検査装置に、この外観検査装置によって検出された欠陥をさらに観察するための電子顕微鏡部を設ける。１つの外観検査装置に光学式検査部及び電子顕微鏡部の両方を設けることによって、図１のような光学式外観検査装置１から、この検査装置１で検出した欠陥を詳細に観察する他の検査装置３へと、ウエハを運ぶ搬送時間を節約することが可能となる。

ここで半導体デバイス製造工程では、複数枚（例えば２５枚）の半導体ウエハを１つのウエハカセットに収容して取り扱うのが一般的であり、外観検査装置においても検査対象の半導体ウエハはウエハカセットごとにセットされる。そこで本発明では、光学式検査部の検査対象であるウエハを収容して外観検査装置にセットされたウエハカセットからウエハを取り出して、電子顕微鏡部に搬送する搬送機構を外観検査装置に設ける。

電子顕微鏡部により検査されるウエハを、光学式検査部により検査されるウエハと同じウエハカセットから取り出すことができるように外観検査装置を構成することで、外観検査装置にセットされたウエハカセットに収容された複数枚のウエハのうちのいずれかのウエハに対して光学式外観検査を行っている間に、他のウエハに対して電子顕微鏡部による観察を平行して行うことが可能となる。

ここで電子顕微鏡部はウエハ全面を撮像する必要はなく、光学式外観検査で検出された欠陥部分だけを撮像すれば足りる。したがって、１枚のウエハの外観検査を光学式検査部が行っている間に、電子顕微鏡部では他のウエハについての観察を完了することができる。
このため、外観検査装置にセットされたウエハカセットに対して、その中に収容されたウエハに対して光学式外観検査を順次行っている時間内に、このウエハカセットに収容されたウエハに対する電子顕微鏡部による観察をほとんど完了することができる。したがって、このような電子顕微鏡部での検査時間が外観検査装置のスループットに与える影響を低減することが可能となる。

電子顕微鏡部は外観検査装置に着脱可能に取り付けられることが好ましい。このために電子顕微鏡部及び外観検査装置には、電子顕微鏡部を外観検査装置に着脱可能に取り付けるためのアタッチメントを各々設けてよい。
このように電子顕微鏡部と外観検査装置とを着脱可能に構成することによって、外観検査装置を設ける各半導体プロセス工程毎のプロセス条件の余裕度や工程の安定度に従って自由に電子顕微鏡部を取り付け及び取り外しすることが可能となり、各半導体プロセス工程の現状に応じてフレキシブルに電子顕微鏡部での検査を行うことが可能となる。

本発明によって、外観検査のスループットに殆ど影響を及ぼすことなく、外観検査で検出された欠陥をさらに電子顕微鏡で詳細に検査することが可能となる。

図２は、本発明の実施例による外観検査装置の全体斜視図である。外観検査装置１は、検査対象となる半導体ウエハ表面の光学像を撮像して撮像画像に現れる欠陥を検出する光学検査部１０と、光学検査部１０が検出した欠陥の電子顕微鏡画像を生成し欠陥をさらに観察するために外観検査装置１に着脱可能に取り付けられるＳＥＭ検査部４０と、を備える。
ＳＥＭ検査部４０は、脚部にキャスターなどを備えた支持架８上に載置されて運搬され、支持架８に載置された状態で外観検査装置１に取り付けられる。

検査対象の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）は、ウエハを複数枚（例えば２５枚）収容可能なウエハカセット４に収容された状態で外観検査装置１にセットされる。図示の例では、外観検査装置１には２個のウエハカセット４をセットすることが可能であり、これらセットされたウエハカセット４を各々載置するためのカセットラック５を有している。
また外観検査装置１には、カセットラック５にセットされたウエハカセット４に収容されたウエハを取り出して、光学検査部１０及びＳＥＭ検査部４０のいずれにも搬送することができる搬送機構８０が設けられる。

図３を参照して、本発明の実施例による外観検査装置１の動作の概略を説明する。図３は本発明の実施例による外観検査装置１の概略構成例を示すブロック図である。
外観検査装置１は、大きく分けて光学検査部１０及び搬送部８０からなる外観検査装置本体９と、外観検査装置本体９に着脱可能に取り付けられるＳＥＭ検査部４０とから構成される。
外観検査装置本体９には、外観検査装置１の全体の動作を司るためのコンピュータ等の計算機で構成される制御部１１と、外観検査装置１のオペレータによる入力操作を検知して操作信号を制御部１１へ入力するための操作パネル等の入力部１２が設けられる。

搬送部８０には搬送部コントローラ８１が設けられる。搬送部コントローラ８１は、制御部１１からの制御信号にしたがって図１２を参照して後述する搬送機構を駆動して、ウエハカセット４からウエハを取り出して、取り出したウエハを光学検査部内１０或いはＳＥＭ検査部４０内に搬送する。または搬送部コントローラ８１は搬送機構を駆動して、光学検査部内１０或いはＳＥＭ検査部４０内から検査済みウエハを取り出してウエハカセット４内に収容する。そして搬送部８０は、搬送動作が終了したときに、搬送終了通知信号を制御部１１へ出力する。
制御部１１は、カセットラック５にウエハカセット４がセットされ、オペレータが入力部１２を介して入力した検査開始信号を受信すると、ウエハカセット４に収容されたウエハのうち最初に検査を行うべきウエハを、ウエハカセット４から光学検査部内１０へ搬送する命令信号を搬送部コントローラ８１に出力する。

また制御部１１は、光学検査部１０から、あるウエハに対する外観検査が終了した旨の通知信号を受信すると、検査が終了したウエハを光学検査部内１０からＳＥＭ検査部４０へ搬送し、かつウエハカセット４に収容されたウエハのうち次のウエハを、ウエハカセット４から光学検査部内１０へ搬送する命令信号を搬送部コントローラ８１に出力する。
さらに制御部１１は、ＳＥＭ検査部４０から、あるウエハに対する観察動作が終了した旨の通知信号を受信すると、ＳＥＭ検査部４０内に収容されたウエハをウエハカセット４内に搬送する命令信号を搬送部コントローラ８１に出力する。

光学検査部１０には、その動作を制御する光学検査部コントローラ１３が設けられる。光学検査部コントローラ１３は制御部１１からの制御信号に従って、光学検査部１０による検査動作を開始及び終了する。例えば制御部１１は、搬送部コントローラ８１から光学検査部１０へのウエハの搬送終了通知信号を受信したときに、光学検査部１０による外観検査を開始する旨の命令信号を光学検査部コントローラ１３へ出力する。

また、光学検査部コントローラ１３は、制御部１１から指定される検査条件に従って光学検査部１０の検査条件を設定する。ここで光学検査部１０の検査条件とは、例えば図５〜図７を参照して後述する欠陥検出部３０による欠陥検出に使用される欠陥検出条件である。制御部１１は、例えばオペレータが入力部１２を介して入力した検査条件を、光学検査部コントローラ１３に出力する。

光学検査部１０が外観検査を行うと、検査の結果検出されたウエハ表面のパターン上の欠陥に関する欠陥情報が、光学検査部１０の欠陥検出部３０から出力される。欠陥検出部３０から出力される欠陥情報は、図１を参照して説明した歩留管理装置２に出力される一方で、外観検査装置１内に設けられた欠陥情報記憶部１４に一時記憶される。
欠陥情報には、欠陥を検出したダイの識別子（ダイ番号）、欠陥の位置、欠陥の大きさなど、後述にてさらに詳しく説明する様々な情報が含まれる。

光学検査部１０がウエハ全面に対する欠陥検出動作を完了すると、光学検査部コントローラ１３は当該ウエハに対する外観検査が終了した旨の通知信号を制御部１１に出力する。通知信号を受信した制御部１１は、搬送部コントローラ８１に命令信号を出力することによって搬送部８０を駆動させ、検査が終了したウエハを光学検査部内１０からＳＥＭ検査部４０へ搬送させる。

ＳＥＭ検査部４０には、ＳＥＭ検査部４０の動作を制御するＳＥＭ検査部コントローラ４１を備える。制御部１１は、搬送部８０にＳＥＭ検査部４０へウエハを搬入させ、又はＳＥＭ検査部４０からウエハを搬出させるときに、ＳＥＭ検査部コントローラ４１に対してウエハ搬入出命令信号を出力する。制御部１１とＳＥＭ検査部コントローラ４１との間には、外観検査装置１本体とＳＥＭ検査部４０とを着脱する際に、制御部１１とＳＥＭ検査部コントローラ４１との間の信号線を接続又は切断するための外観検査装置側インタフェース１５及びＳＥＭ検査部側インタフェース４２が設けられ、制御部１１とＳＥＭ検査部コントローラ４１との間の信号は、これらインタフェース１５及び４２を介して送受信される。

ＳＥＭ検査部コントローラ４１は、制御部１１からのウエハ搬入出命令信号に従って、ウエハをＳＥＭ検査部４０内の試料室内へ搬入出に必要な、ウエハ搬入出口の開閉制御や試料室内の真空制御を行う。
また制御部１１は、ＳＥＭ検査部４０内に搬送したウエハに関して光学検査部１０が検出した欠陥情報を欠陥情報記憶部１４から読み込んで、この欠陥情報をＳＥＭ検査部コントローラ４１に出力する。ＳＥＭ検査部コントローラ４１は入力された欠陥情報に含まれる欠陥位置情報に基づいてＳＥＭ検査部４０に設けた電子線鏡筒を制御し、ウエハ全面のうち欠陥部分についてのみ電子顕微鏡画像を生成させる。

さらに、ＳＥＭ検査部コントローラ４１は、図８を参照して後述するＳＥＭ検査部４０が電子顕微鏡画像から得た、各欠陥に関するより詳細な情報である欠陥詳細情報を制御部１１に出力する。欠陥詳細情報は、例えば、当該欠陥が歩留に影響する真の欠陥であるかそれとも疑似欠陥であるかなどの真偽情報、または当該欠陥がどのような種類の欠陥であるかを示す分類情報である。このときＳＥＭ検査部コントローラ４１は、欠陥詳細情報を、当該欠陥に関する欠陥情報に含めて制御部１１に返信してもよい。

制御部１１は、この欠陥詳細情報やこれを含む欠陥情報（以下「欠陥詳細情報等」と記す）を欠陥詳細情報記憶部１６に記憶する。このとき制御部１１は、これら欠陥詳細情報等を得た電子顕微鏡画像を撮像したウエハを識別するための識別情報（例えばウエハカセット４内に収納されていたときの棚番号）を欠陥詳細情報等に関連付けて、欠陥詳細情報記憶部１６に記憶する。
ＳＥＭ検査部４０が観察動作を完了すると、ＳＥＭ検査部コントローラ４１は当該ウエハに対する観察が終了した旨の通知信号を制御部１１に出力する。ＳＥＭ検査部４０の観察動作が完了した通知信号を受信した制御部１１は、搬送部８０に、ＳＥＭ検査部４０内に収容されたウエハをウエハカセット４内に搬送させる。

上記動作を繰り返すことにより、ウエハカセット４内に収容されたウエハ全てについて光学検査部１０及びＳＥＭ検査部４０による検査が終了し、これらウエハ全てについて欠陥詳細情報等が欠陥詳細情報記憶部１６に記憶される。
その後、制御部１１は、ウエハカセット４に収容されたウエハを、初めのウエハから順に光学検査部１０へと搬送部８０に搬送させて、光学検査部１０による検査をやり直す。

このとき制御部１１は、欠陥詳細情報記憶部１６に記憶された当該ウエハに関する欠陥詳細情報等を読み込んで光学検査部コントローラ１３へ送信する。光学検査部コントローラ１３は、受信した欠陥詳細情報等に応じて光学検査部１０の検査条件を再設定し、搬入されたウエハの外観検査をやり直す。
または制御部１１は、読み込んだ欠陥詳細情報等に応じて、光学検査部１０の検査条件を設定し直して光学検査部コントローラ１３へ送信し、光学検査部コントローラ１３は受信した検査条件で搬入されたウエハの外観検査をやり直す。
そしてやり直した外観検査で検出した欠陥情報を後段の歩留管理装置２に出力する。
なお、ＳＥＭ検査部４０による検査は必ずしもウエハカセット４内に収容されたウエハ全てについて行う必要はない。制御部１１は、ＳＥＭ検査部４０による検査の前に行った光学検査部１０による検査の結果に応じて、ＳＥＭ検査部４０による検査が必要なウエハを選択し、選択したウエハのみについてＳＥＭ検査部４０で検査してもよい。
また、ＳＥＭ検査部４０による検査後に行う光学検査部１０による再検査も、必ずしもウエハカセット４内に収容されたウエハ全てについて行う必要はない。制御部１１は、ＳＥＭ検査部４０による検査の結果、検査条件の再設定が不要なウエハについては光学検査部１０による再検査をスキップしてよい。

以下、上記説明した外観検査装置１の各部分の構成および動作について、より詳しく説明を行う。図４は、図２に示す光学検査部１０の概略構成例を示すブロック図である。
光学検査部１０は、上述の光学検査部コントローラ１３と、検査対象であるウエハ７の光学像を撮像するための光学式顕微鏡部２０と、光学式顕微鏡部２０により得られた撮像画像に現れる欠陥を検出する欠陥検出部３０を備える。

光学式顕微鏡部２０は、２次元方向に自在に移動可能なステージ２１の上面に試料台（チャックステージ）２２が設けられている。この試料台２２の上にウエハ７を載置して固定する。ステージ２１は、ステージ駆動部１７からの駆動信号によってＸ方向及びＹ方向の２次元方向に移動し、また試料台２２をＺ方向に昇降させることでウエハ７を３次元方向に移動させることが可能である。

また光学式顕微鏡部２０は、ウエハ７を照明するための光源２３、集光レンズ２４及び半透鏡（ビームスプリッタ）２５を有する照明光学系と、照明されたウエハ７の表面の光学像を投影する対物レンズ２６と、対物レンズ２６により投影されたウエハ７の表面の光学像を撮像する撮像部２７と、を備える。撮像部２７には１次元又は２次元のＣＣＤカメラ、好適にはＴＤＩカメラなどのイメージセンサが使用され、その受光面に結像するウエハ７の表面の光学像を電気信号に変換する。本実施例では撮像部２７に１次元のＴＤＩカメラを使用し、ステージ１１が移動することによって、Ｘ方向又はＹ方向に一定速度で撮像部２７をウエハ７に対して相対的に走査させる。

なお、以下説明の簡単のために明視野照明光学系を備える外観検査装置を例として説明を行うが、本発明はこれに限定されるものではない。外観検査装置には、照明光を直接捉えない暗視野照明光学系も採用されており、暗視野照明光学系を有する外観検査装置も本発明の対象である。暗視野照明の場合、ウエハを斜め方向又は垂直方向から照明して正反射は検出しないようにセンサを配置し、照明光の照射位置を順次走査することにより対象表面の暗視野像を得る。このため暗視野装置ではイメージセンサを使用しない場合もあるが、これも当然発明の対象である。

撮像部２７から出力される画像信号は、アナログディジタル変換部２８によって多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換された後に欠陥検出部３０に入力される。
ここでウエハ７上には、図５に示すように複数のダイ（チップ）７ａがＸ方向とＹ方向にそれぞれ繰返しマトリクス状に配列されている。各ダイには同じパターンが形成されるので、これらのダイを撮像した画像同士は本来同一となるはずであり、各ダイの撮像画像の対応する部分同士の画素値は本来同様の値となる。

したがって２つのダイの撮像画像の対応する部分同士の画素値の差分（グレイレベル差信号）を検出すれば、両方のダイに欠陥がない場合に比べて一方のダイに欠陥がある場合にグレイレベル差信号が大きくなることにより、ダイ上に存在する欠陥を検出できる（ダイトゥダイ比較）。
また、１つのダイ内にメモリセルのような繰り返しパターンが形成されている場合には、この繰り返しパターン内の本来同一となるべき複数箇所を撮像した画像同士のグレイレベル差を検出しても欠陥を検出できる（セルトゥセル比較）。
なお、ダイトゥダイ比較では、隣り合う２つのダイ同士を撮像した画像を比較するのが一般的である（シングルティテクション）。これではどちらのダイに欠陥があるか分からないので、更に異なる側に隣接するダイとの比較を行ない、再び同じ部分のグレイレベル差が閾値より大きくなればそのダイに欠陥があることが分かる（ダブルディテクション）。セルトゥセル比較でも同様である。

図６は、図４に示す欠陥検出部の構成例を示す概略構成図である。アナログディジタル変換部２８によってディジタル形式のグレイレベル信号に変換されたウエハ２の画像は、画像記憶部３１に記憶される。
ステージ駆動部１７がステージ２１を移動させて撮像部２７をウエハ７に対して相対的に走査させる間に、１次元ＴＤＩカメラである撮像部２７の出力信号を取り込むと、画像記憶部３１にはウエハ７の２次元画像が蓄積される。

画像記憶部３１に記憶されたウエハ２の画像は、隣接する２つのダイの撮像画像の対応する部分同士のグレイレベル差を算出する差分検出部３２に入力される。
ダイトゥダイ比較を行う場合には、差分検出部３２は、ステージ位置を測定するレーザ干渉計などのステージ位置測定部１８から、ステージ２１の位置情報を入力し、かかる位置情報に基づいて、隣接する複数のダイの対応する部分の部分画像を信号記憶部３１から取り出して、その一つを検査画像とし残りを参照画像とする。そして検査画像と参照画像との間の対応する画素同士のグレイレベル差信号を算出して、検出閾値計算部３３と検出部３４に出力する。
セルトゥセル比較を行う場合には、差分検出部３２は、同様に、隣接する複数のセルの対応する部分の部分画像を信号記憶部３１から取り出し、その一つを検査画像とし残りを参照画像として上記グレイレベル差を算出する。

検出閾値計算部３３は、グレイレベル差から欠陥検出閾値を決定して検出部３４に出力する。図７を参照して、検出閾値計算部３３による欠陥検出閾値の算出方法を説明する。
まず検出閾値計算部３３は、差分検出部３２が算出した各画素（ピクセル）毎のグレイレベル差を入力して、検査画像及び参照画像に含まれる全画素について各々算出されたグレイレベル差のヒストグラムを、図７の（Ａ）に示すように作成する。なお、対象となる画素数が多い場合には、ヒストグラムはすべての画素のグレイレベル差を使用して作成する必要はなく、サンプリングした一部の画素のグレイレベル差を使用して作成される。
そしてこのヒストグラムからグレイレベル差の累積頻度を算出する。

その後に検出閾値計算部３３は、入力されたグレイレベル差がある所定の分布に従うと仮定した上で、上記算出した累積頻度を、グレイレベル差に対して累積頻度が直線関係となるように変換する。このとき、グレイレベル差が正規分布、ポアソン分布、又はχ二乗分布などのある分布に従うと仮定して累積頻度を変換する。この変換累積頻度を図７の（Ｂ）に示す。

そして検出閾値計算部３３は、変換した変換累積頻度に応じて、グレイレベル差と変換累積頻度との関係を示す近似直線（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を導出し、この近似直線のパラメータａ、ｂ及び感度設定パラメータ（固定値）から閾値を決定する（図７の（Ｃ）参照）。
ここでは、グレイレベル差と変換累積頻度の近似直線において、感度設定パラメータとしてＶＯＰとＨＯを設定しておき、累積確率（ｐ）に相当する累積頻度Ｐ１（ｐにサンプル数を乗じて求める。）になる直線上の点を求め、その点から縦軸方向にＶＯＰ、横軸方向にＨＯ移動したグレイレベル差を閾値とする。

従って、閾値Ｔは、所定の計算式、
Ｔ＝（Ｐ１−ｂ＋ＶＯＰ）／ａ＋ＨＯ …（１）
により算出される。このようにして、被検査画像のグレイレベル差のヒストグラムに応じて閾値を適切に設定することができる。

ここで、感度設定パラメータＶＯＰ及びＨＯの設定値を変えることによって、欠陥検出部３０の欠陥検出感度を調節することができる。したがってパラメータＶＯＰ及びＨＯは、図３に示した制御部１１や光学検査部コントローラ１３により設定される検査条件のひとつであり、ＳＥＭ検査部４０の検査結果に基づく設定のやり直しの対象にしてよい。

検出部３４は、差分検出部３２から入力したグレイレベル差と検出閾値計算部３３が決定した欠陥検出閾値とを比較して、検査画像に含まれる欠陥を検出する。
すなわち検出部３４は、グレイレベル差信号が欠陥検出閾値を超える場合には、このようなグレイレベル差信号を算出した画素の位置に、検査画像が欠陥を含んでいると判断する。そして検出部３４は、欠陥として検出された画素位置、検出時のグレイレベル差信号、グレイレベル値、また検出に使用した欠陥検出閾値や、感度設定パラメータＶＯＰ及びＨＯ、近似直線のパラメータａ、ｂなどの情報を欠陥情報生成部３５に出力する。

欠陥情報生成部３５は、検出部３４から入力した情報にしたがって、欠陥として検出された画素の固まりを１つの欠陥としてまとめ、その欠陥の位置情報及びサイズ情報（画素数）、また１つの欠陥としてまとめられた複数画素の平均グレイレベル値や、平均グレイレベル差を算出し、これらの情報を含んだ欠陥情報を各欠陥毎に作成する。
このとき欠陥情報生成部３５は、欠陥のサイズやアスペクト比、グレイレベル差、グレイレベル値などの情報に基づいて、当該欠陥が真欠陥であるか疑似欠陥であるかなどの真偽判定、またはどのような種類の欠陥であるかを判定する欠陥分類を行い、これらの判定結果及び分類結果を欠陥情報に含める。

例えば欠陥情報生成部３５は、欠陥のサイズが所定寸法より小さく且つこの欠陥のグレイレベル差と所定の値よりも小さい場合には当該欠陥を疑似欠陥として判定し、それ以外の場合には真欠陥と判定して、その判定結果を欠陥情報に含める。
また例えば欠陥情報生成部３５は、欠陥のサイズやそのグレイレベル値に応じて、当該欠陥がどのような種類であるか（例えば配線ショート、パターン欠損もしくはパーティクル等）を分類し、その分類結果を欠陥情報に含める。

ここで、欠陥情報生成部３５による欠陥の真偽判定の条件（例えば欠陥サイズやグレイレベル差）や分類条件もまた、欠陥検出部３０による検査条件を決定するパラメータとなる。したがってこれら真偽判定条件や分類条件も図３に示した制御部１１や光学検査部コントローラ１３により設定される検査条件のひとつであり、ＳＥＭ検査部４０の検査結果に基づく設定のやり直しの対象にしてよい。

欠陥情報生成部３５により生成された欠陥情報は、この欠陥情報を取得したウエハに対してＳＥＭ検査部４０による観察を行う場合には図３に示す欠陥情報記憶部１４に記憶される。一方、この欠陥情報を取得したウエハに対してＳＥＭ検査部４０による観察を行う必要がない場合（例えばこの欠陥情報が、ＳＥＭ検査部４０の検査結果に基づき検査条件を設定し直した後の検査結果である場合など）には、欠陥情報は後段の歩留管理装置２に出力される。

図８は、図２に示すＳＥＭ検査部４０の概略構成を示すブロック図である。ＳＥＭ検査部４０は、筐体４３の中に上述のＳＥＭ検査部コントローラ４１と、ウエハ７の電子顕微鏡画像を得るための電子線鏡筒６０と、電子線鏡筒６０によりウエハ７の電子顕微鏡画像を得る間ウエハ７を収納するための真空試料室５０とを、備える。

筐体４３には、外観検査装置１本体の筐体にＳＥＭ検査部４０を着脱可能に取り付けるためのアタッチメント４５ａ及び４５ｂが設けられる。また、外観検査装置１本体へのＳＥＭ検査部４０の取り付け及び取り外しの際に、外観検査装置側インタフェース１５とＳＥＭ検査部側インタフェース４２との間の信号線を接続及び切断するコネクタ１９及び４４が、外観検査装置１本体の筐体および筐体４３にそれぞれ設けられる。

真空試料室５０には、検査中のウエハ７を搭載するための試料台５１と、搬送部８０からウエハ７を搬入出するためのウエハ取り出し口５５と、ウエハ取り出し口５５を開閉するゲートバルブ５６と、検査中に真空試料室５０内を真空状態にするための真空ポンプ等の真空源４７ａ及び真空試料室５０と真空源４７ａとの間を開閉するバルブ４７ｂと、真空源４７ａにより真空状態にされた真空試料室５０内に所定の充填ガスを注入することによってウエハ搬入出の際に真空試料室５０内を大気状態にするためのガス源４８ａ及び真空試料室５０とガス源４８ｂとの間を開閉するバルブ４８ｂと、が設けられる。

ＳＥＭ検査部コントローラ４１は、制御部１１から上記のウエハ搬入出命令信号を受信すると、搬送部８０による真空試料室５０内へのウエハ７の搬入出前に、バルブ４８ｂを開いてガス源４８ａから真空試料室５０に充填ガスを注入して大気圧状態にする。そしてゲートバルブ５６を開いてウエハ取り出し口５５を開き、搬送部８０によるウエハ７の搬入出を可能にする。
搬送部８０がウエハ７の搬入出を完了すると、ゲートバルブ５６を閉じてウエハ取り出し口５５を閉じる。その後にバルブ４７ｂを開いて真空源４７ａで真空引きすることによって真空試料室５０内部を真空状態にする。

図９は、図８に示す電子線鏡筒６０の概略構成図である。図示の電子線鏡筒６０の構成例は、内部空間６３に電子銃６４、電磁レンズや静電レンズで実現される第１レンズ６５及び第２レンズ６６を備えたガウシアンビーム方式（ペンシルビーム方式）の電子光学系を収容する。電子銃６４で発生した電子ビームＥＢを、第１レンズ６５及び第２レンズ６６からなる電磁レンズ系によって絞ることによってスポット状の電子ビームＥＢを作り鏡筒開口部６７からウエハ７へ照射する。

また電子線鏡筒６０には電子検出器ＥＤが設けられ、電子検出器ＥＤによって電子線鏡筒６０の開口部６７から電子を発射した際のウエハ７からの電子を検出する。実際には、電子線鏡筒６０に対物アパーチャ、偏向電極や非点補正コイル等が設けられるが、ここでは説明を省略する。電子検出器ＥＤの検出信号は、不図示のアナログディジタル変換器によってディジタル信号に変換された後に後述の画像生成部７１に入力されてここでウエハ７表面の電子顕微鏡画像が生成される。
さらに、電子線鏡筒６０には、電子ビームＥＢを出射する開口部６７を開閉するシャッター部６９が設けられており、真空試料室５０内を大気圧状態に開放しても、シャッター部６９により開口部６７を閉じることによって電子線鏡筒６０内の空間６３を真空状態に維持する。

電子線鏡筒６０によって電子ビームＥＢを偏向できる範囲はごく狭いため、ウエハ７上のいずれの位置でも観察できるようにするために、ウエハ７表面と平行な水平面（ＸＹ平面内）でウエハ７と電子線鏡筒６０とを相対移動させてウエハ７上の所望の観察位置へ電子線鏡筒６０を位置付ける必要がある。従来、ウエハ７の表面観察に使用している走査型電子顕微鏡では、ウエハ７側を可動ステージによりＸＹ平面内で移動させることによってウエハ７と電子線鏡筒６０とを相対移動させている。
本実施例によるＳＥＭ検査部４０では、真空試料室５０のフットスペースを小さくして装置全体を小型化するために、電子線鏡筒６０をＸＹ平面内で移動させる。このような構成によれば、ウエハ７を大きく移動させなくてすむため真空試料室５０の床面積（フットプリント）を小さく構成することが可能となる。

図１０は、図８に示す電子線鏡筒６０の駆動機構を示す斜視図である。図示の駆動機構は、Ｘ方向に沿って電子線鏡筒６０を移動させるための１対のＸ方向ガイド５１ａ及び５１ｂと、Ｙ方向に沿って電子線鏡筒６０を移動させるための可動Ｙ方向ガイド５３と、可動Ｙ方向ガイド５３を支持したままＸ方向に延在するＸ方向ガイド５１ａ及び５１ｂにそれぞれ沿って移動する１対のＸ方向移動部５２ａ及び５２ｂと、電子線鏡筒６０を支持したままＹ方向に延在する可動Ｙ方向ガイド５３に沿って移動するＹ方向移動部５４と、を備えて構成される。

各移動部５２ａ、５２ｂ及び可動Ｙ方向ガイド５３からなる組立体をＸ方向に移動させるため、及びＹ方向移動部５４をＹ方向への移動させるために、様々な直線駆動機構を使用することが可能である。
例えば、Ｘ方向ガイドの一方の５１ａに回転可能なボールネジ（図示せず）をＸ方向に沿って設け、Ｘ方向各移動部５２ａにナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＸ方向ガイド５１ａを固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｘ方向各移動部５２ａに対してＸ方向の駆動力を加えることとしてよい。

また可動Ｙ方向ガイド５３に、回転可能なボールネジ（図示せず）をＹ方向に沿って設け、Ｙ方向各移動部５４にナット（図示せず）を設けてボールネジと螺合させる。そしてＹ方向について可動Ｙ方向ガイド５３を固定した状態で、図示しないモータによってボールネジを回転させることによって、Ｙ方向各移動部５４に対してＹ方向の駆動力を加えることとしてよい。
このようなボールネジ機構によって電子線鏡筒６０を支持するＹ方向移動部５４を可動Ｙ方向ガイド５３に沿って駆動し、この可動Ｙ方向ガイド５３を支持するＸ方向移動部５２ａ及び５２ｂをＸ方向ガイド５１ａ及び５１ｂにそれぞれ沿って駆動することにより、電子線鏡筒６０を２次元移動させる。なお直線駆動機構としてベルト駆動機構を使用してもよい。

ＳＥＭ検査部４０は、これら直線駆動機構の駆動量を制御することによって、電子線鏡筒６０を、ウエハ７の観察面上の所望の観察位置に位置付ける電子線鏡筒位置制御部７０を備える。
ＳＥＭ検査部コントローラ４１は、外観検査装置１本体の制御部１１から欠陥情報を受信すると、この欠陥情報に含まれる欠陥の位置情報を電子線鏡筒位置制御部７０に出力する。電子線鏡筒位置制御部７０は、受信した欠陥位置まで電子線鏡筒６０を移動させるのに必要な移動量だけ直線駆動機構を駆動する駆動信号を出力して、電子線鏡筒６０を所望の欠陥位置に移動させる。

電子検出器ＥＤの検出信号はディジタル信号に変換された後に画像生成部７１に入力される。画像生成部７１は、電子ビームＥＢによりウエハ７上を２次元走査したときの各走査位置に対応する画素の画素値を、当該走査位置を電子ビームＥＢが走査したときの電子検出器ＥＤ出力信号値に応じて決定することによって、ウエハ７表面の欠陥の電子顕微鏡画像を生成する。この欠陥の電子顕微鏡画像は欠陥判定部７３に出力される。

欠陥判定部７３は、入力された欠陥の電子顕微鏡画像に基づいて当該欠陥が真の欠陥であるかそれとも疑似欠陥であるかの真偽判定、または当該欠陥がどのような種類の欠陥であるかを判定する欠陥分類を行う。
例えば欠陥判定部７３は、入力した電子顕微鏡画像と過去に撮影した様々な種類の欠陥の電子顕微鏡画像のサンプルとを比較してこれらの判定をしてよい。このためにＳＥＭ検査部４０は、過去に撮影した様々な種類の欠陥の電子顕微鏡画像のサンプルを記憶する欠陥ライブラリ７２を備える。また例えば欠陥判定部７３は、入力した電子顕微鏡画像に現れる欠陥の外見的特徴、例えば欠陥のサイズや欠陥部分の明度値など、に基づいて欠陥の真偽判定や欠陥分類を行ってもよい。

欠陥判定部７３は、真偽判定や欠陥分類によって得られた真偽情報及び分類情報を欠陥詳細情報として、ＳＥＭ検査部コントローラ４１に出力する。
ＳＥＭ検査部コントローラ４１は、入力した欠陥詳細情報を、当該欠陥の欠陥情報に付加して、外観検査装置１本体の制御部１１に返信する。
図３に戻り、欠陥詳細情報を含む欠陥情報を受信すると、制御部１１はこの欠陥情報を欠陥詳細情報記憶部１６に記憶する。

欠陥詳細情報記憶部１６に記憶された、各ウエハに関する欠陥詳細情報を含む欠陥情報は、上述のとおり、その後に光学検査部１０の検査条件を再設定に利用される。
光学検査部１０の検査条件を再設定するために、制御部１１は光学検査部１０で検査を行うウエハに関する欠陥情報を欠陥詳細情報記憶部１６から読み込んで、光学検査部コントローラ１３へ送信する。光学検査部コントローラ１３は、受信した欠陥情報に含まれる欠陥詳細情報に応じて光学検査部１０の検査条件を再設定する。

例えば光学検査部コントローラ１３は、ある欠陥情報に含まれる欠陥詳細情報により、当該欠陥が疑似欠陥であることが示されている場合には、この欠陥情報に含まれている当該欠陥検出時に使用された近似直線のパラメータａ、ｂと、この欠陥のグレイレベル差情報に基づいて、欠陥検出閾値がこのグレイレベル差よりも大きい値となるように、検出閾値計算部３３が使用する感度設定パラメータＶＯＰ及び／又はＨＯの値を再設定する。

また例えば光学検査部コントローラ１３は、ある欠陥情報に含まれる欠陥詳細情報により、当該欠陥が疑似欠陥であることが示されている場合には、欠陥情報生成部３５が疑似欠陥として判定する欠陥サイズ及び欠陥のグレイレベル差の閾値を、この欠陥情報に含まれる当該欠陥サイズ及びグレイレベル差よりも大きな値に再設定する。
また例えば欠陥情報生成部３５は、ある欠陥情報に含まれる欠陥詳細情報により、その欠陥の分類結果が示されている場合には、欠陥情報生成部３５がこの分類の判定に用いる各パラメータ値を、その欠陥情報に含まれている欠陥のサイズやそのグレイレベル値などに応じて再設定する。
このような光学検査部１０の検査条件の再設定は制御部１１にて行ってもよい。再設定方法は光学検査部コントローラ１３にて再設定を行う上記方法と同様である。

図１１は、図２に示すウエハカセットの斜視図であり、図１２の（Ａ）は図２に示す搬送部８０内部の基本構成図（平面図）であり、図１２の（Ｂ）は搬送部８０内部の基本構成図（側断面図）である。
図１２の（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、搬送部８０の内部には、カセットラック５にそれぞれセットされた各ウエハカセット４内に収容される、複数のウエハ７のいずれかを選択して、光学検査部１０及びＳＥＭ検査部４０のいずれにも搬送するためのアーム機構８３が備えられている。

一方で、図１１に示すようにウエハカセット４は、複数のウエハ７を収容するためにその内部に複数の棚部８１が設けられており、それぞれの棚部８１の上にウエハ７を載置することにより、その内部にウエハ７を重ねて収容し、１ロット分の枚数（例えば２５枚）のウエハ７をそれぞれのカセット内に収容できるように構成される。

図１２の（Ａ）及び図１２の（Ｂ）に示すアーム機構８３に設けられたエッジクランプなどの試料保持部８４は、図１２の（Ｂ）に示すように図のＺ方向に昇降するアーム機構８３の働きにより、ウエハカセット４内に重ねて載置されたウエハ７のいずれをも選択して取り出し、またはその反対にウエハ７をウエハカセット４内のいずれの棚に載置することも可能である。

図１３及び図１４は、本外観検査装置１を利用する半導体デバイス製造工程の工程図である。図１３の事例では、各製造工程Ｐ１１、Ｐ１２及びＰ１３の後に検査工程が行われている。
図示するとおり、工程Ｐ１３の後の検査では、工程１３のプロセス条件の余裕度が大きく、あるいはプロセスが安定しているために、歩留が高いため光学検査部１０ｃのみによる光学式外観検査のみで足り、外観検査装置１ｃにＳＥＭ検査部４０ｃを取り付けていない。

これに対し、工程Ｐ１１の後の検査では、工程Ｐ１１が立ち上げた直後でプロセスの安定性が低いため、ＳＥＭ検査部４０ｘを取り付けた外観検査装置１ａによって、ＳＥＭ検査部４０ｘにより上述の通り光学検査部１０ａの検査条件の見直しを行っている。
立ち上げ直後の工程Ｐ１１の後の検査を行う外観検査装置１ａに、ＳＥＭ検査部４０ｘを取り付けて検査条件を見直した光学検査部１０ａで外観検査を行うことにより、工程Ｐ１１後の検査の検査条件を適正化し、早期にプロセスの安定を図ることが可能となる。

また、工程Ｐ１２の後の検査でも、工程Ｐ１２で生じる欠陥は半導体デバイスの性能に大きく影響するために、工程Ｐ１１の後の検査と同様にＳＥＭ検査部４０ｂを取り付けて、光学検査部１０ｂの検査条件の見直しを行っている。
工程Ｐ１２において生じる欠陥がデバイス性能に大きく影響をする場合にも、この工程１２の後の検査を行う外観検査装置１ｂに、ＳＥＭ検査部４０ｂを取り付けて光学検査部１０ｂの検査条件を適正化することによって、製品のバラツキを低減することが可能となる。

図１４に示す事例では、図１３に示した工程Ｐ１１の後の検査を行う外観検査装置１ａに取り付けられていたＳＥＭ検査部４０ｘが、工程Ｐ１３の後の検査を行う外観検査装置１ｃに移されている。これは工程Ｐ１１が安定したプロセスに移行した一方で、工程Ｐ１３の安定性が劣化したためである。工程Ｐ１３の劣化の原因としては、例えばプロセス装置の入れ替え、製品デバイスの構造、寸法、材料などの変更がある。
本事例の場合、工程Ｐ１１とＰ１３の後の検査を行う外観検査装置１ａ及び１ｃを入れ替えることなく、外観検査装置１ａに取り付けていたＳＥＭ検査部４０ｘを外観検査装置１ｃに取り付けることにより、工程Ｐ１３の後の検査でＳＥＭ検査部４０ｘによる光学検査部１０ｃの検査条件の見直しを可能とした。図８〜図１０を参照して既に説明したようにＳＥＭ検査部４０ｘを小型化することで、かかる取り外し及び取り付けを容易にすることができる。
このように、本実施例による外観検査装置では、ウエハ７の欠陥を観察するＳＥＭ検査部４０ｘが小型であるためにプロセスラインの変化に応じて適宜配置を変更することが可能である。

本発明は、半導体製造工程において使用される、半導体ウエハの表面の光学像に基づき欠陥を検出する外観検査装置に関する。

検査方法を含んだ従来の半導体デバイス製造工程における工程図である。本発明の実施例による外観検査装置の全体斜視図である。本発明の実施例による外観検査装置の概略構成例を示すブロック図である。図２に示す光学検査部の構成例を示す概略構成図である。半導体ウエハ上のダイの配列を示す図である。図４に示す欠陥検出部の構成例を示す概略構成図である。図５に示す検出閾値計算部による欠陥検出閾値の算出方法を説明する図である。図２に示すＳＥＭ検査部の概略構成を示すブロック図である。図８に示す電子線鏡筒の概略構成図である。図８に示す電子線鏡筒の駆動機構を示す斜視図である。図２に示すウエハカセットの斜視図である。（Ａ）は図２に示す搬送部内部の基本構成図（平面図）であり、（Ｂ）は搬送部内部の基本構成図（側断面図）である。本発明による外観検査装置を利用する半導体デバイス製造工程の工程図（その１）である。本発明による外観検査装置を利用する半導体デバイス製造工程の工程図（その２）である。

符号の説明

１外観検査装置
４ウエハカセット
５カセットラック
１０光学検査部
４０ＳＥＭ検査部
８０搬送部

Claims

ウエハカセットに収容された複数の半導体ウエハのうちのいずれかを取り出して、取り出した半導体ウエハの表面の光学像を撮像し、その撮像画像に現れる欠陥を検出する外観検査装置において、
検出された前記欠陥をさらに観察するための電子顕微鏡部と、
前記ウエハカセットから前記半導体ウエハを取り出して前記電子顕微鏡部に搬送する搬送機構と、
を備えることを特徴とする外観検査装置。
前記電子顕微鏡部及び前記外観検査装置は、前記電子顕微鏡部を前記外観検査装置に着脱可能に取り付けるアタッチメントを各々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。