JP2007327891A - 外観検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の検出画像比較による外観検査方法において、検出画像と参照画像の差から欠陥位置を特定する方法では、不安定なオートフォーカスは虚報や欠陥見逃しにつながる大きな問題であった。例えば、折返し直後のチップを比較検査する場合、検出画像と参照画像の走査方向の違いにより画像の差を生じ、画像比較による正確な欠陥判定を行えないことが問題であった。
【解決手段】これを改善するために、帯状画像撮像領域の走査方向前方にオートフォーカス領域を配置し、オートフォーカス領域の画像のコントラスト値から焦点位置を計算し、ステージ高さを制御する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、半導体ウェーハ，フォトマスク，プリント基板等の被検査物体の検査を行う外観検査装置に係り、特に検査対象物体上を往復走査して検査を行う外観検査装置に関する。

被検査物体として半導体ウェーハ上のメモリチップを例にして説明する。ウェーハ上には、個別に製品となるチップが複数個配列されている。これらのチップは同一形状のパターンとして行列方向に一定間隔で連続的に配置されている。比較する検査パターンが同一形状，一定間隔，一定周期で配置されている特性を生かし、欠陥検査は検査領域の検出画像と事前に記憶されている参照画像を比較してパターンの欠陥を検出する。

現在のパターン欠陥検査装置では、検査の高速化のため、ＴＤＩなどの一次元イメージセンサを用いて検出画像と参照画像を撮像するのが一般的である。この一次元イメージセンサの画素の配列方向と直交する方向に被検査物（またはイメージセンサ）を走査して二次元画像を取得する。この一次元イメージセンサの一回の走査で検出できるチップの部分画像は、チップ高さに対し小さいので、チップ全面を検査するためには、複数回イメージセンサの高さ方向にずらして走査する方法が用いられている。

被検査対象物を載置したステージを往復動させて走査する欠陥検査装置が例えば特許文献１に記載されている。

特開２００２−０９０３１１号公報

被検査物体の反りや、被検査物体を保持する際のステージ平坦度の影響を避けるため、欠陥検査装置の光学系には、自動焦点制御機構が設けられているのが普通である。このような自動焦点制御方法では、被検査物体上の対物レンズ内視野中心よりある程度ずらした場所にオートフォーカス領域を配置している。このため、オートフォーカスが焦点位置を算出して自動焦点制御方法にて対物レンズ内視野中心で焦点位置を変える間に、ステージが移動してしまうため焦点の位置ずれが生じる可能性があった。ステージが一方向に移動するような装置の場合は、対物レンズ内視野中心より前方にオートフォーカス領域を設ければ良いが、ステージを往復動させる場合は、一方向では問題ないが逆方向では問題が生じる可能性がある。本発明の目的は、自動焦点制御手段の誤差を低減し、走査方向に起因する画像の差の少ない外観検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の構成は以下の通りである。
被検査対象物の画像を検出する画像検出手段と、
前記画像検出手段が検出する、前記被検査対象物の検出領域を移動させる検出領域移動手段と、
前記被検査対象物の検出領域とは異なる領域に焦点位置を検出するための焦点位置検出領域を有する焦点位置検出手段と、
を備えた外観検査装置であって、
前記焦点位置検出手段の焦点位置検出領域を、前記検出領域移動手段による前記被検査対象物の検出領域の移動方向前方となるように制御する焦点位置検出位置制御手段を備えた外観検査装置。

画像検出手段は、被検査対象物に照射した光の反射光を画像として検出する手段である。検出には、１次元イメージセンサ（ラインセンサ，ＴＤＩなど）の他、２次元イメージセンサ（ＣＣＤ，ＭＯＳ）などを用いることができるが、画像として検出できるものであればこれに限らずどのようなものでも良い。通常、画像検出センサは１度に被検査対象物の全体の画像を取り込めないため、被検査対象物あるいは画像検出手段を移動させる必要がある。検出領域移動手段は往復動，回転動、それらの組合せなどで、検出領域を移動させるための手段である。焦点位置検出手段は、被検査対象物に光ビームを照射し、反射した光の情報に基づいて、焦点位置を調整する手段である。光の情報に基づいて、画像検出手段が検出する画像イメージが最も良くなるように、画像検出手段の光学系、あるいは被検査対象物を載置するステージの位置を調整する。

焦点位置検出位置制御手段は、焦点位置検出領域を、前記検出領域移動手段による前記被検査対象物の検出領域より前方となるように調整する手段である。ステージが往復動する場合は、往動あるいは復動する場合に、常に焦点位置検出領域が前方となるように制御する。ステージが回転運動をする場合は通常は、走査方向は同じ方向であるが、逆回転する機構を備えたステージの場合は、本発明の適用が可能である。

焦点位置検出位置制御手段は、焦点位置を定めるために被検査対象物に照射する光ビームの照射機構の位置を移動させても良いし、照射機構の位置は固定して、光路の途中に反射鏡を設け、この反射鏡の位置あるいは反射角度を変えられるようにしても良い。

本発明によれば、半導体ウェーハなどの被検査物体上に形成された複数のパターンを検査する場合、走査方向の違い、オートフォーカスの応答遅れによる焦点位置検出誤差による画像の差に起因して起こる虚報や欠陥見逃しといった問題を低減できる。

始めに本発明の背景について図面を用いて簡単に説明する。

被検査物体として半導体ウェーハ上のメモリチップを例にして説明する。図１に示すような１枚のウェーハ上には、個別に製品となるチップが複数個配列されている。これらのチップは同一形状のパターンとして行列方向に一定間隔で連続的に配置されている。また、チップ内部にはメモリセルパターンが一定周期で繰り返しパターンとして形成されている。比較する検査パターンが同一形状，一定間隔，一定周期で配置されている特性を生かし、欠陥検査は検査領域の検出画像と事前に記憶されている参照画像により下記の方法で、パターンの欠陥を検出する。

図２に示すように、検査領域で検出された検出画像Ａと同一形状のパターンの画像である参照画像Ｂの差画像ＡＢより欠陥の有無を検出できる。図２（１）は欠陥の存在しない場合の例で、差画像上には何も差が存在せず、欠陥の無いことが判定できる。一方、図２（２）のように同一形状だが片方の画像に欠陥Ｃが存在する場合の差画像ＡＢには欠陥情報が残るため欠陥のあることが判定できる。一般に、パターン欠陥検出方法では、このようにして欠陥の有無を検出する。

パターン欠陥検査では、上記のような検出画像と参照画像を撮像する画像検出手段として一次元イメージセンサを用いる。この一次元イメージセンサは、図３のように、小さな光検出器が一次元に並んだもので、パターン欠陥検査装置では、この光検出器の画素の配列方向と直交する方向に被検査物を走査して二次元画像を取得する。この一次元イメージセンサの一回の走査で検出できるチップの部分画像は、検出を行うイメージセンサの高さａとチップ画像をこのイメージセンサ上に投影する結像光学系の結像倍率できまる。この高さをイメージセンサの有効撮像高さと呼ぶことにする。イメージセンサで検査領域を走査する場合に、一回の走査で画像が検出できる領域を図４に示す。一般に使用されているイメージセンサでは、チップ高さに対しイメージセンサの一回の走査で検出できる領域の高さは小さいので、チップ全面を検査するためには、複数回高さ方向にずらして走査する方法が用いられている。

一般にイメージセンサは固定されており、被検査物体のウェーハを移動させることのできるステージを用いる。被検査物体のウェーハにおいて水平方向にウェーハを走査して画像検出を行う場合、図５のようにまず水平方向に被検査物体を移動させて画像を取得する。一回の走査で画像検出が終わった後、イメージセンサの有効撮像高さ分だけ垂直方向下方に検査物体を移動させ、走査方向が逆になるようにステージを移動させていくことで画像を順次検出する。

イメージセンサを用いて画像検出するための自動焦点制御方法は、Through the lens方法、Out of the axis 方式が一般的である。Through the lens方式では、温度変化などの外乱には影響を受けにくいが、光路にパターンがついたレチクルを配置したり、反射光を分岐するため、照明光量が半減されるので、照明効率の低下が起こる。また、Out of the
axis方式では、一般に波長域の異なる別光源を配置し、照明系と別軸で照明しているため、照明光の損失はないが、温度ドリフトなど外乱要素の影響を受けやすく、安定すべき自動焦点制御方法に誤差を生じることがある。

また、上記のような従来の自動焦点制御方法では、図６のように被検査物体上の対物レンズ内視野中心よりある程度ずらした場所にオートフォーカス領域を配置している。このため、オートフォーカスが焦点位置を算出して自動焦点制御方法にて対物レンズ内視野中心で焦点位置を変えるまでには必ず応答遅れを伴う。図７に従来のオートフォーカス領域で焦点位置を算出し、被検査物の表面を追従させた時の走査方向の違いによる焦点検出軌跡のずれ（追従性）を示す。従来のオートフォーカス領域での自動焦点制御方法では、走査方向の違いによるデフォーカス領域の差が大きくなる。オートフォーカスの走査方向での追従性能の違い、および応答遅れは、画像のデフォーカスとなり、画像の質に差を生じる。例えば、図７に示すように被検査物体の表面にある欠陥Ｄは、正方向で走査した場合、欠陥Ｄを検出することができるが、負方向で走査した場合は、デフォーカス領域に欠陥Ｄが存在するため、欠陥を検出できない。走査方向の違い、応答遅れにより少なからずデフォーカス領域が発生し、欠陥を見逃すことになる。

従来は図８に示すようにオートフォーカスは、被検査物体の反りや、被検査物体を保持する際のステージ平坦度の影響を低減するため、例えば３００mm幅の被検査物体表面の
１０〜２０ｕｍ程度の高さ変動を２〜３秒で走査させ、被検査物体表面をマクロに追従させることが主目的であった。近年、例えば図９のようにメモリセル部などウェーハプロセスの段差が大きくなりミクロな動きへの追従遅れが欠陥検出感度に大きく影響し、問題となってきた。また、前記のとおり従来技術では、イメージセンサの走査方向の違いで生じる誤差が大きい。また、オートフォーカスの応答遅れにより、段差の大きいパターンでは、デフォーカスすることがある。上記従来技術において、オートフォーカスの誤差は、帯状画像撮像領域での検出画像のデフォーカス要因となる。その走査方向の違い、および自動焦点制御手段を高精度で制御することで欠陥検出感度を向上する。

走査方向の違いによって画像の差となる原因の一つである焦点位置の問題を例として説明する。被検査物体表面をオートフォーカス手段によって走査し、画像検出を行う場合、図７のようなオートフォーカス手段の応答遅れ（実線１）によるデフォーカス領域を生じる。被検査物体表面を逆方向に走査するとデフォーカス領域の発生の仕方も逆転するため、正方向の走査と逆方向の走査の間で焦点合わせ追従性に差が生じる。この焦点合わせの追従性の差は、画像の差となる。前記のとおり従来技術の自動焦点制御手段では、図６のように視野中心より若干ずらした位置で焦点位置を検出しているため、正方向の走査と逆方向の走査の間では、追従性の差、すなわちデフォーカス量の差が大きくなる。

従来の欠陥検査方法は、隣接したチップに対して順次欠陥の有無の判定を行うが、図５のように走査を開始して、折り返し前後の検査領域Ｄ−ｂの検出画像と検査領域Ｄ−ａで検出した参照画像を比較する場合、走査方向が逆方向になるため、焦点検出系の焦点合わせの追従性の差を生じ、画像の画質の差となり、結果的に欠陥見逃し、及び虚欠陥情報
（以後、虚報と記載する）の原因となる。画像比較検査において、走査方向の違いは検出した画像の画質の差となり、欠陥検査において問題となる。また、前記の通り、走査方向によりデフォーカス領域が異なるため、その領域に特徴的な欠陥が存在した場合、走査方向によりその欠陥検査感度に差が生じるため、欠陥検出の不安定要因となる。

前記のとおり従来技術では、照明効率が低下したり、温度ドリフトなど外乱要因によりオートフォーカスが不安定になり、精度よく画像を取得することが困難である。

以上のような背景を受けて、以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１０に本発明の実施例である外観検査におけるオートフォーカス領域の配置図を示す。図１２には本発明の実施例である外観検査装置の構成を示す。図１１に帯状画像撮像領域より走査方向前方に配置したオートフォーカス領域で焦点位置を算出し、被検査物の表面を追従させた時の走査方向の違いによる焦点検出軌跡のずれを示す。帯状画像撮像領域の走査方向前方のオートフォーカス領域で予め被検査物体の表面凹凸の焦点位置情報を得ているため、帯状画像撮像領域において最適な焦点位置で画像を取得することができ、走査方向の違いによる表面凹凸の焦点位置追従に差を生じさせないようにすることが可能となる。

走査方向が正方向の場合は、図１０に示すオートフォーカス領域（ａ）で焦点位置を算出し、帯状画像撮像領域で最適な焦点位置で画像検出を行う。走査方向が負方向の場合は、オートフォーカス領域（ｂ）にて焦点位置を算出する。オートフォーカス領域（ａ）
（ｂ）は、帯状画像撮像領域の走査方向前方に配置されているので、予め被検査物体の表面の焦点位置情報を得ることができる。予め得た焦点位置情報を用いて、図１１にように被検査物体表面を追従させることができ、帯状画像撮像領域で最適な焦点位置にて画像取得ができる。

図１２に本発明の実施例の外観検査装置の構成を示す。本発明の外観検査装置は、ＸＹステージ１上に設置されたＺθステージ２上に被検査物体である半導体ウェーハ３が固定されている。半導体ウェーハ３の上方には、照明光源４からの照明光を半導体ウェーハ３側へ向けるハーフミラー５があり、ハーフミラー５で反射された照明光は、対物レンズ６を経て半導体ウェーハ３を照明する。半導体ウェーハ３からの反射光は対物レンズ６，ハーフミラー５を経て、検出光として欠陥検出用イメージセンサ１０で受光される構成となっている。またオートフォーカス切換え用ミラー８で分岐された光はオートフォーカス用イメージセンサ７で受光される。走査方向の切り換わりに伴うオートフォーカス領域の切換えには、欠陥検出用イメージセンサ１０の撮像範囲以外の検出光を反射するオートフォーカス切換え用ミラー８を（１）（２）のように移動させる。オートフォーカス用イメージセンサ７で取り込んだ画像は、自動焦点判定，制御手段９に入り、画像のコントラスト値が最大になるような最適焦点位置を算出し、Ｚステージに移動指令を与え、帯状画像撮像領域において最適な焦点位置で画像が検出できるようになっている。欠陥検出用イメージセンサ１０で受光された検出光はＡ／Ｄ変換器１１を通じてデジタル画像信号に変換され、最初の走査領域で検出した画像信号を画像記録手段１２に参照画像として記録させた後、次のチップで検出された検出画像を画像比較手段１３にて比較する。画像比較手段
１３で算出された結果をもとに欠陥位置判定手段１４により欠陥位置を特定する。

本発明の実施例では、対物レンズ視野内にオートフォーカス領域を配置しているが、画像撮像領域の走査方向前方にオートフォーカス領域を配置していれば、配置場所や走査方法、およびオートフォーカス制御の方法は問題としない。

本発明の実施例ではオートフォーカス機構として対物レンズ視野内のオートフォーカス領域での画像のコントラスト値より焦点位置を算出しているが、オートフォーカス手段は問題としない。

本発明の実施例は画像検出手段として欠陥検出用イメージセンサ，オートフォーカス用イメージセンサを使用しているが、画像を検出する手段は問題としない。

被検査物の一例として半導体ウェーハのチップの配置を示した平面図である。 従来技術による欠陥位置を特定する原理の説明する図である。 イメージセンサの簡略構成図である。 イメージセンサで検査領域を走査するときの概略図。 被検査物体の走査軌跡を説明する平面図である。 従来技術でのオートフォーカス領域を説明する平面図。 従来技術での被検査物体表面の追従軌跡を示した平面図である。 従来のオートフォーカス役割を説明する平面図。 近年のオートフォーカス役割を説明する平面図。 課題を解決するための手段を説明する対物レンズ視野内でのオートフォーカス領域の配置場所を示した平面図である。 本発明を採用した場合の被検査物体表面の追従軌跡を示した平面図である。 本発明の実施例である外観検査装置の構成図である。

符号の説明

１…ＸＹステージ、２…Ｚθステージ、３…半導体ウェーハ、４…照明光源、５…ハーフミラー、６…対物レンズ、７…オートフォーカス用イメージセンサ、８…オートフォーカス領域切換え用ミラー、９…焦点位置判定，制御手段、１０…欠陥検出用イメージセンサ、１１…Ａ／Ｄ変換器、１２…画像記録手段、１３…画像比較手段、１４…欠陥位置判定手段。

Claims (3)

1. 被検査対象物の画像を検出する画像検出手段と、
   前記画像検出手段が検出する、前記被検査対象物の検出領域を移動させる検出領域移動手段と、
   前記被検査対象物の検出領域とは異なる領域に焦点位置を検出するための焦点位置検出領域を有する焦点位置検出手段と、
   を備えた外観検査装置であって、
   前記焦点位置検出手段の焦点位置検出領域を、前記検出領域移動手段による前記被検査対象物の検出領域の移動方向前方となるように制御する焦点位置検出位置制御手段を備えたことを特徴とする外観検査装置。
2. 請求項１記載の外観検査装置において、
   前記検出領域移動手段は前記被検査対象物を載置するステージであり、該ステージは往復動する機構を備えたことを特徴とする外観検査装置。
3. 請求項２記載の外観検査装置において、
   前記焦点位置検出位置制御手段は、焦点位置検出用の光ビームの照射位置にあわせて反射鏡を移動させる機構であることを特徴とする外観検査装置。
   

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