JP2007322209A - 外観検査装置及び外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる波長域の光で像を形成した複数の光学像に基づく外観検査を同時に行うことが可能な外観検査装置及び外観検査方法を実現する。
【解決手段】外観検査装置１を、試料４の表面の光学像を生成する対物光学系２３と、
対物光学系２３が投影する投影光を複数の波長の光に分光する分光部２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、分光部によって分けられた投影光による光学像をそれぞれ撮像する撮像部２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、各波長毎に画像信号の対応する２箇所の画素同士の差分を検出する差分検出部３２ａ、３２ｂ、３２ｃと、を備えて構成し、各波長毎に検出した差分のいずれか又はこれら差分同士の演算値と、所定の検出閾値と、を比較して欠陥を検出する。
【選択図】図３

Description

試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法に関する。特に半導体製造工程で半導体ウエハ上に形成した半導体回路パターンの欠陥を検出するために使用される外観検査装置及びその方法に関する。

本発明は、試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法を対象とする。ここでは半導体製造工程で半導体ウエハ上に形成した半導体回路パターンの欠陥を検出する外観検査装置（インスペクションマシン）を例として説明を行なうが、本発明はこれに限定されるものではない。

半導体製造工程では、半導体ウエハ上に多数のチップ（ダイ）を形成する。各ダイには何層にも渡ってパターンが形成される。完成したダイは、プローバとテスタにより電気的な検査が行われ、不良ダイは組み立て工程から除かれる。半導体製造工程では、歩留まりが非常に重要であり、上記の電気的な検査の結果は製造工程にフィードバックされて各工程の管理に使用される。しかし、半導体製造工程は多数の工程で形成されており、製造を開始してから電気的な検査が行われるまで非常に長時間を要するため、電気的な検査により工程に不具合があることが判明した時には既に多数のウエハは処理の途中であり、検査の結果を歩留まりの向上に十分に生かすことができない。
そこで、途中の工程で形成したパターンを検査して欠陥を検出するパターン欠陥検査が行われる。全工程のうちの複数の工程でパターン欠陥検査を行なえば、前の検査の後で発生した欠陥を検出することができ、検査結果を迅速に工程管理に反映することができる。

図１に従来から使用されている外観検査装置のブロック図を示す。外観検査装置１は、試料であるウエハ４の表面の撮像画像を生成する顕微鏡部２と、ウエハ４の表面に形成されたパターンのうち本来同一となるべき対応する２箇所を顕微鏡部２で撮像した撮像画像同士を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出するためのパターン比較部３と、を備えて構成される。

顕微鏡部２は、２次元又は３次元方向に自在に移動可能なステージ２１を備え、その上面には試料台（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４を載置して固定する。ステージの上部には、明視野照明や暗視野照明などの様々な照明方法によって照明されたウエハ４の光学像を、１次元又は２次元のＣＣＤカメラなどを用いて構成される撮像部２４の撮像面に投影する対物光学系（対物レンズ）２３が設けられており、撮像部２４はウエハ４上に形成されたパターンの画像信号を発生させる。

図２に示すように、半導体ウエハ４上には、複数のダイ４ａ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、隣接するダイの対応する部分の画像を比較するのが一般的である。両方のダイに欠陥がなければグレイレベル差は閾値より小さいが、一方に欠陥があればグレイレベル差は閾値より大きくなる（シングルディテクション）。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、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）。

いま、１次元のＣＣＤカメラ（ＴＤＩセンサ等）を備えた撮像部２４を、撮像素子の画素の配列方向に垂直方向に沿って、ウエハ４に対して相対的にスキャンするとダイ４ａの２次元画像が得られる。撮像部２４をウエハ４に対して相対的にスキャンさせるために、ステージ２１を駆動して、固定された撮像部２４に対してウエハ４側を移動させるのが通常である。画像信号は多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換されて、後端のパターン比較部３に出力される。

パターン比較部３は、顕微鏡部２の撮像部２４が撮像した画像信号を記憶する画像記憶部３１を備えている。画像記憶部３１に隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、差分検出部３２はこれらの２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号を画像記憶部３１から読み出す。実際には微小な位置合わせ処理などが行われるがここでは詳しい説明は省略する。
差分検出部３２は、隣り合うダイの同じ部分の部分画像の一方を検査部分画像とし他方を参照画像として、各々の対応する画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して、検出閾値計算部３３と欠陥検出部３４とに出力する。検出閾値計算部３３は、グレイレベル差の分布に応じて所定の統計演算処理により自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部３４に出力する。欠陥検出部３４は、差分検出部３２が検出したグレイレベル差と検出閾値計算部３３が決定した検出閾値とを比較し、グレイレベル差が検出閾値を超えるときこれら画素のうちいずれかが欠陥であると判定する。そして欠陥検出部３４は、欠陥と判定された部分について、各欠陥毎に、その欠陥の位置やグレイレベル差などを含む欠陥情報を出力する。

特開２００４−１７７３９７号公報

物体の光学反射率や透過性、表面における散乱状態は、その物体の材質と入射光の波長域とに依存する。例えば、半導体回路の配線部分に使用される銅は、可視光域では反射率が高い性質を示すが、３５０ｎｍ付近の波長域で反射率が程度で反射率が低下するという性質を有する。したがってある固有の材料で形成されたパターンの欠陥を検出する際には、その材料に応じた波長域の光だけで像が形成された光学像を形成することが好適である。

しかし、半導体ウエハ４の表面には複数の材料を用いてパターンが形成されており、これら異なる材質間で観察に適した光線の波長域が異なる。
上述の従来の外観検査装置では、単に白色光か、複数の波長域から単一の波長域を選択して試料表面を照明した表面の光学像を得るのに止まり、これら試料表面に存在する複数の材料のそれぞれ応じた波長域の光で像を形成した光学像を、同時に撮像することはできなかった。
上記問題に鑑み、本発明は、異なる波長域の光で像を形成した複数の光学像に基づく外観検査を同時に行うことが可能な外観検査装置及び外観検査方法を実現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、対物光学系によって投影された試料表面の光学像の投影光を、分光部によって複数の波長領域の投影光に分光し、分光されたこれら投影光による光学像をそれぞれ撮像して、得られた画像毎にそれぞれの画像中の対応する２箇所の画素同士、又はこれら得られた画像同士を演算して得られた画像中の対応する２箇所の画素同士の差分を検出する。

すなわち、本発明の第１形態に係る外観検査装置は、試料表面の光学像を生成する対物光学系と、対物光学系が投影する投影光を複数の波長の光に分光する分光部と、分光部によって分けられた投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成する撮像部と、各波長毎に画像信号の対応する２箇所の画素同士の差分を検出する差分検出部と、を備え、各波長毎に検出した差分のいずれか又はこれら差分同士の演算値と所定の検出閾値とを比較して欠陥を検出する。

また、外観検査装置は、試料表面の光学像を生成する対物光学系と、対物光学系が投影する投影光を複数の波長の光に分光する分光部と、分光部によって分けられた投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成する撮像部と、異なる波長について生成された画像信号間の所定の演算値を算出する画像演算部と、画像信号の対応する２箇所の画素についてそれぞれ演算された所定の演算値同士の差分を検出する差分検出部と、検出された差分と所定の検出閾値とを比較して欠陥を検出する欠陥検出部と、を備えてもよい。
このように、異なる波長について生成された画像信号同士を演算して得られた画像に基づいて欠陥検出を行うことにより、異なる波長域の光で像を形成した複数の光学像を加味して、異なる波長域の光線を用いた外観検査を同時に行うことが可能となる。

また本発明の第２形態に係る外観検査方法は、試料表面の光学像を対物光学系で投影した投影光を複数の波長の光に分光し、分光された投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成し、各波長毎に画像信号の対応する２箇所の画素同士の差分を検出し、各波長毎に検出した差分のいずれか又はこれら差分同士の演算値と所定の検出閾値とを比較して欠陥を検出する。
また、外観検査方法は、試料表面の光学像を対物光学系で投影した投影光を複数の波長の光に分光し、分光された投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成し、異なる波長について生成された画像信号間の所定の演算値を算出し、画像信号の対応する２箇所の画素についてそれぞれ演算された所定の演算値同士の差分を検出し、検出された差分と所定の検出閾値とを比較して欠陥を検出してもよい。

本発明により、異なる波長域の光で像を形成した複数の光学像に基づく外観検査を同時に行うことが可能となる。これにより表面に複数の材料でパターンが形成される試料の外観検査を、各材料に適した波長で行うことが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。本発明の実施例による外観検査装置は、図１に示す外観検査装置１と同様に、試料であるウエハの表面の撮像画像を生成する顕微鏡部２と、ウエハの表面に形成されたパターンのうち本来同一となるべき対応する２箇所を顕微鏡部２で撮像した撮像画像同士を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出するためのパターン比較部３とを備える。
本発明の実施例による顕微鏡部２の構成例を示すブロック図を図３に、また本発明の実施例によるパターン比較部３の第１構成例を示すブロック図を図４に示す。

顕微鏡部２は、２次元又は３次元方向に自在に移動可能なステージ２１と、その上面に設けられウエハ４４を載置して固定する試料台２２と、試料台３上に保持された半導体ウエハ４を照明する照明光を生じる光源部２５と、光源部２５による照明光がウエハ４上で反射した反射光による光学像を投影する対物光学系（対物レンズ）２３と、この対物光学系２３の光軸上に設けられた半透鏡２７と、を備える。

光源部２５により生じた、複数の波長λ１、λ２及びλ３の波長域の光線を含む照明光はコリメートレンズ２６を通ることによって平行光束となった後に半透鏡２７に入射する。半透鏡２７は入射した照明光を反射して対物光学系２３へと入射させ、照明光は対物光学系２３によってウエハ４の表面に集光される。
対物光学系２３はまた、この照明光によって照明されたウエハ４の光学像を投影し、この投影光は半透鏡２７を通過して、複数のダイクロックミラー２８ａ〜２８ｃからなる分光部２８に入射する。

分光部２８の第１のダイクロックミラー２８ａは、対物光学系２３から投影された投影光のうち第１波長λ１の波長域の光線のみを通過させて、第２波長λ２及び第３波長λ３を含む他の波長域の光線を反射する。
第１のダイクロックミラー２８ａを通過した第１波長λ１の波長域の光線からなる投影光は、第１結像光学系２９ａを経て第１撮像部２４ａの受光面にウエハ４の光学像を結ぶ。

第１のダイクロックミラー２８ａは、第２波長λ２及び第３波長λ３を含む他の波長域の光線を反射して、第２のダイクロックミラー２８ｂに入射させる。第２のダイクロックミラー２８ｂは、第１のダイクロックミラー２８ａで反射した光線のうち、第２波長λ２の波長域の光線のみを第２撮像部２４ｂへと反射させて、第３波長λ３を含む他の波長域の光線を透過する。
第２のダイクロックミラー２８ｂで反射した第２波長λ２の波長域の光線からなる投影光は、第２結像光学系２９ｂを経て第２撮像部２４ｂの受光面にウエハ４の光学像を結ぶ。

第２のダイクロックミラー２８ｂで反射した第３波長λ３を含む他の波長域の光線は、第３のダイクロックミラー２８ｃに入射する。第３のダイクロックミラー２８ｃは、入射した光線のうち、第３波長λ３の波長域の光線のみを第３撮像部２４ｃへと反射させて他の波長域の光線を透過する。
第３のダイクロックミラー２８ｃで反射した第３波長λ３の波長域の光線からなる投影光は、第３結像光学系２９ｃを経て第３撮像部２４ｃの受光面にウエハ４の光学像を結ぶ。

したがって分光部２８は、対物光学系２３が投影するウエハ４の光学像の投影光を、複数の波長域λ１、λ２及びλ３の光線に分光し、分光部２８によって分光された投影光により生じる光学像が、それぞれ第１撮像部２４ａ、第２撮像部２４ｂ及び第３撮像部２４ｃの受光面に結ばれる。
また、第１撮像部２４ａ、第２撮像部２４ｂ及び第３撮像部２４ｃは、各々の受光面に結んだ光学像を撮像することで、ウエハ４上に形成されたパターンの像を、それぞれ波長域λ１、λ２及びλ３の光によって形成した光学像の画像信号を発生させる。以下、各撮像部２４ａ、２４ｂ及び２４ｃが生じた、それぞれ波長域λ１、λ２及びλ３の光によって形成した光学像の画像信号を、それぞれ第１画像信号、第２画像信号及び第３画像信号と記す。

図４を参照するとパターン比較部３は、ディジタル形式のグレイレベル信号に変換された第１画像信号、第２画像信号及び第３画像信号をそれぞれ記憶する第１画像記憶部３１ａ、第２画像記憶部３１ｂ及び第３画像記憶部３１ｃを備える。
ステージ２１の移動に伴って撮像部２４ａ〜２４ｃがウエハ４に対して相対的にスキャンすることによって、画像記憶部３１ａ、３１ｂ及び３１ｃに隣り合うダイ２個分のグレイレベル信号が記憶されると、第１差分検出部３２ａ、第２差分検出部３２ｂ及び第３差分検出部３２ｃは、これらの２つのダイの各々同じ部分の小さな部分画像（ロジカルフレーム）のグレイレベル信号をそれぞれ画像記憶部３１ａ、３１ｂ及び３１ｃから読み出す。

そして、各差分検出部３２ａ〜３２ｃは、２個のダイの同じ部分の部分画像の一方を検査部分画像とし他方を参照画像として、検査部分画像と参照画像の間で対応する画素、すなわち２つのダイ内における同じ位置を撮像した画素同士のグレイレベル信号の差（グレイレベル差）を検出して画像選択部３５に出力する。
画像選択部３５は、第１〜３画像信号に基づくグレイレベル差信号のうちいずれかを所定の選択方法によって選択して検出閾値計算部３３及び欠陥検出部３４に出力する。

例えば、画像選択部３５は、各ロジカルフレーム毎に、そのロジカルフレーム内で検出されたグレイレベル差の平均値又は最大値がより大きい方のグレイレベル差を選択することとしてよい。
またウエハ４上に形成されるダイの既知のパターンデータに基づいて、ダイ上の各領域に形成される薄膜に材質や形態に応じて、好適な波長域の光線によって形成した光学像を撮像した画像信号を元にしたグレイレベル差信号を選択してもよい。この場合にパターンデータを、ダイの設計ＣＡＤデータから生成して、画像選択部３５がアクセス可能な不図示の記憶手段に予め記憶させておく。

検出閾値計算部３３は、選択されたグレイレベル差の（例えばロジカルフレーム内での）分布に応じて、所定の統計演算処理により自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部３４に出力する。欠陥検出部３４は、画像選択部３５が選択したグレイレベル差と検出閾値計算部３３が決定した検出閾値とを比較し、グレイレベル差が検出閾値を超えるとき、対比したダイのいずれかの当該画素部分が欠陥であると判定する。そして欠陥検出部３４は、欠陥と判定された部分について、各欠陥毎に、その欠陥の位置やグレイレベル差などを含む欠陥情報を出力する。

図５は、本発明の実施例によるパターン比較部３の第２構成例を示すブロック図である。本構成例によるパターン比較部３の構成要素のうち、図４を参照して説明した先の構成例と同一の構成要素には同じ参照番号を付し、また同様の機能については説明を省略する。
本構成例では、各差分検出部３２ａ〜３２ｃが各々算出したグレイレベル差同士の間の所定の演算値を算出する画像演算部３６を備える。そして、検出閾値計算部３３は、この演算値の（例えばロジカルフレーム内での）分布に応じて自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部３４に出力する。欠陥検出部３４は、この演算値と検出閾値計算部３３が決定した検出閾値とを比較し、演算値が検出閾値を超えるとき対比したダイのいずれかの当該画素部分が欠陥であると判定する。

グレイレベル差間の演算値を求める演算としては、例えば各差分検出部３２ａ〜３２ｃが各々算出したグレイレベル差同士の和や平均値、二乗和としてよい。このように算出された演算値を用いて欠陥検出を行うことにより、各波長域λ１、λ２及びλ３の光線で撮像した画像のどれかにしか現れない欠陥を一度に検出することが可能となる。なおこのような演算方法は単なる例示でありこれに限定するものではない。このようなグレイレベル差の演算を様々な演算方法を採用して行うことにより、従来の外観検査装置では成しえなかった様々な検査を行うことが可能となる。

図６は、本発明の実施例によるパターン比較部３の第３構成例を示すブロック図である。本構成例によるパターン比較部３の構成要素のうち、図４を参照して説明した先の構成例と同一の構成要素には同じ参照番号を付し、また同様の機能については説明を省略する。
本構成例では、各画像記憶部３１ａ〜３１ｃに記憶される、各波長毎にそれぞれ作成された検査画像に含まれる各画素同士の所定の演算値を演算する第１演算部３６ａと、同様に各波長毎にそれぞれ作成された参照画像に含まれる各画素同士の所定の演算値を演算する第２演算部３６ｂと、を備える。

第１演算部３６ａは、例えば、各画像記憶部３１ａ〜３１ｃに記憶されるそれぞれの検査画像の間の対応する箇所同士の画素の和や平均値、二乗和などの所定の演算値を算出する。同様に、第２演算部３６ｂもまた、各画像記憶部３１ａ〜３１ｃに記憶されるそれぞれの参照画像の間の対応する箇所同士の画素の上記所定の演算値を算出する。
このような異なる波長の検査画像間の画素同士で演算した演算値、及び異なる波長の参照画像間の画素同士で演算した演算値は、差分検出部３２に入力され、ここで差分検出部３２は、検査部分画像と参照画像の間の対応する画素、すなわち２つのダイ内における同じ位置を撮像した画素について、それぞれ第１演算部３６ａ及び第２演算部３６ｂで演算された演算値同士のグレイレベル差を検出して検出閾値計算部３３と、欠陥検出部３４に出力する。
検出閾値計算部３３は、この演算値の（例えばロジカルフレーム内での）分布に応じて自動的に検出閾値を決定して欠陥検出部３４に出力する。欠陥検出部３４は、この演算値と検出閾値計算部３３が決定した検出閾値とを比較し、演算値が検出閾値を超えるとき対比したダイのいずれかの当該画素部分が欠陥であると判定する。

本発明は、試料の対応する２箇所を撮像した検査画像を比較して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置及びその方法に利用可能である。特に半導体製造工程で半導体ウエハ上に形成した半導体回路パターンの欠陥を検出するために使用される外観検査装置及びその方法に利用可能である。

従来の半導体回路用の外観検査装置のブロック図である。 半導体ウエハ上のダイの配列を示す図である。 本発明の実施例による外観検査装置の顕微鏡部のブロック図である。 本発明の実施例による外観検査装置のパターン比較部の第１構成例のブロック図である。 本発明の実施例による外観検査装置のパターン比較部の第２構成例のブロック図である。 本発明の実施例による外観検査装置のパターン比較部の第３構成例のブロック図である。

符号の説明

１ 外観検査装置
２ 顕微鏡部
３ パターン比較部
４ ウエハ
４ａ ダイ
２１ ステージ
２２ 試料台
２３ 対物光学系
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ 撮像部
２５ 光源部
２７ 半透鏡
２８ 分光部
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ ダイクロックミラー

Claims (8)

1. 試料表面の対応する２箇所の撮像画像同士の差分を検出して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置において、
   前記試料表面の光学像を生成する対物光学系と、
   前記対物光学系が投影する投影光を複数の波長の光に分光する分光部と、
   前記分光部によって分けられた投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成する撮像部と、
   前記各波長毎に、前記画像信号の対応する２箇所の画素同士の差分を検出する差分検出部と、を備え、
   前記各波長毎に検出した前記差分のいずれか又はこれら差分同士の演算値と、所定の検出閾値と、を比較して前記欠陥を検出することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記各波長毎に検出した前記差分のいずれかを、所定の選択方法に従って選択する選択部と、
   前記選択部により選択された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出する欠陥検出部と、
   をさらに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. 前記各波長毎に検出した前記差分同士の所定の演算値を算出する画像演算部と、
   前記画像演算部により選択された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出する欠陥検出部と、
   をさらに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. 試料表面の対応する２箇所の撮像画像同士の差分を検出して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査装置において、
   前記試料表面の光学像を生成する対物光学系と、
   前記対物光学系が投影する投影光を複数の波長の光に分光する分光部と、
   前記分光部によって分けられた投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成する撮像部と、
   異なる波長について生成された前記画像信号間の所定の演算値を算出する画像演算部と、
   前記画像信号の対応する２箇所の画素についてそれぞれ演算された前記所定の演算値同士の差分を検出する差分検出部と、
   検出された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出する欠陥検出部と、
   を備えることを特徴とする外観検査装置。
5. 試料表面の対応する２箇所の撮像画像同士の差分を検出して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査方法において、
   前記試料表面の光学像を対物光学系で投影した投影光を複数の波長の光に分光し、
   分光された前記投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成し、
   前記各波長毎に、前記画像信号の対応する２箇所の画素同士の差分を検出し、
   前記各波長毎に検出した前記差分のいずれか又はこれら差分同士の演算値と、所定の検出閾値と、を比較して前記欠陥を検出することを特徴とする外観検査方法。
6. 前記各波長毎に検出した前記差分のいずれかを、所定の選択方法に従って選択し、
   選択された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出することを特徴とする請求項５に記載の外観検査方法。
7. 前記各波長毎に検出した前記差分同士の所定の演算値を算出し、
   前記画像演算部により選択された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出することを特徴とする請求項５に記載の外観検査方法。
8. 試料表面の対応する２箇所の撮像画像同士の差分を検出して、互いに異なる部分を欠陥として検出する外観検査方法において、
   前記試料表面の光学像を対物光学系で投影した投影光を複数の波長の光に分光し、
   分光された前記投影光による光学像をそれぞれ撮像して波長毎の画像信号を生成し、
   異なる波長について生成された前記画像信号間の所定の演算値を算出し、
   前記画像信号の対応する２箇所の画素についてそれぞれ演算された前記所定の演算値同士の差分を検出し、
   検出された前記差分と前記所定の検出閾値とを比較して前記欠陥を検出することを特徴とする外観検査方法。

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