JP2008175686A - 外観検査装置及び外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法において、現在設定されている検査条件が、実際の試料に適した条件であるか否かを判定する。
【解決手段】外観検査装置１を、試料２の被検査面を撮像した画像を入力しこの画像に存在する欠陥を検出する欠陥検出部２０、２４と、検査対象である試料２の表面に予め設けられた既知の標準欠陥９の位置情報を記憶する標準欠陥データ記憶部６１と、標準欠陥９が設けられた試料２の表面を撮像した画像中の、標準欠陥データ記憶部６１に記憶された位置情報が示す位置に存在する標準欠陥９を欠陥検出部２０、２４が検出できるか否かを判定する検出感度判定部５０と、を備えるように構成する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、検査対象となる試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法に関する。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの表面の撮像画像に基づき、これらの表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法に関する。より詳しくはこのような外観検査装置及び外観検査方法における欠陥検出感度の良否を判定する技術に関する。

半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネルなどの半導体装置等の製造は多数の工数から成り立っており、最終及び途中の工程での欠陥の発生具合を検査して製造工程にフィードバックすることが歩留まり向上の上からも重要である。製造工程の途中で欠陥を検出するために、半導体ウエハ、フォトマスク用基板、液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの試料の表面に形成されたパターンを撮像し、これにより得られた画像を検査することにより試料表面に存在する欠陥を検出するパターン欠陥検査などの外観検査が広く行われている。
以下の説明では、半導体ウエハ上に形成されたパターンの欠陥を検査する半導体ウエハ用外観検査装置を例として説明する。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体製造用フォトマスク用基板や、液晶デバイス用基板、液晶表示パネル用基板などの半導体装置を検査する外観検査装置にも広く適用可能である。

図１に、本願の出願人が特願２００３−１８８２０９（下記特許文献１）にて提案するものと同様の外観検査装置のブロック図を示す。一般に外観検査装置１は、半導体ウエハ２（以下、単に「ウエハ２」と示す）の撮像画像を得るための顕微鏡部１０と、取得した画像を検査してウエハ２の表面に現れる欠陥を検出する画像処理部２０とを備えて構成される。

顕微鏡部１０には、２次元方向に自在に移動可能なステージ１１が設けられており、ステージ１１の上面には試料台（チャックステージ）１２が設けられている。この試料台１２の上に検査対象となる試料であるウエハ２を載置して固定する。ステージ１１は、ステージ制御部１８からの制御信号に従ってＸ方向及びＹ方向の２次元方向に移動し、また試料台１２をＺ方向に昇降させることでウエハ２を３次元方向に移動させることが可能である。
また顕微鏡部１０は、ウエハ２の表面の光学像を投影する対物レンズ１３と、対物レンズ１３により投影されたウエハ２の表面の光学像を撮像する撮像部１４と、を備える。撮像部１４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２の表面の光学像を電気信号に変換する。
本構成例では撮像部１４として１次元のＴＤＩカメラを使用する。そしてステージ制御部１８がステージ１１を移動させて撮像部１４とウエハ２とを相対的に移動させ、ウエハ２に対して撮像部１４をＸ方向又はＹ方向に走査させることによってウエハ２の表面の２次元画像を得る。

さらに顕微鏡部１０は、ウエハ２を照明するための光源１５及び集光レンズ１６と、対物レンズ１３の投影光路上に設けられた半透鏡（ビームスプリッタ）１７を備える。半透鏡１７は、集光レンズ１６により集光された照明光を対物レンズ１３に向けて反射させるとともに、対物レンズ１３が撮像部１４の受光面上に投影するウエハ２の表面の光学像の投影光を透過する。
ウエハ２の表面は、対物レンズ１３の光軸を含む垂直方向から明視野照明光が与えられ、撮像部１４は照明されたウエハ２の正反射光の像を捉える。

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１４から出力される画像信号は、多値のディジタル信号（グレイレベル信号）に変換された後に画像処理部２０内の信号記憶部２１に記憶される。
ウエハ２上には、図２に示すように複数のダイ（チップ）３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内の本来同一となるべき対応箇所同士の画素値の差分（グレイレベル差信号）を検出すると、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り、このような大きなグレイレベル差を検出す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対応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。したがって、更に異なる側に隣接するダイとの比較を行い、再び同じ部分のグレイレベル差が閾値より大きくなった場合にそのダイに欠陥があると判定する（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１に戻り、画像処理部２０は、信号記憶部２１に記憶されたウエハ２の画像において、２つのダイの撮像画像の対応箇所同士のグレイレベル差を算出するための差分検出部２２を備える。
ステージ制御部１８がウエハ２に対して撮像部１４を相対的に走査する間に、１次元ＴＤＩカメラである撮像部１４の出力信号を取り込むと、信号記憶部２１にウエハ２の２次元画像が蓄積される。
ダイトゥダイ比較を行う場合には、差分検出部２２は、ステージ制御部１８から入力されるステージ１１の位置情報に基づいて、隣接する複数のダイの対応箇所の部分画像を信号記憶部２１から取り出し、その一つを検査画像とし他方を参照画像とする。そして検査画像と参照画像との間の対応箇所の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２３と欠陥検出部２４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２２は、同様に、隣接する複数のセルの対応箇所の部分画像を信号記憶部２１から取り出し、その一つを検査画像とし他方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２３は、差分検出部２２が検出したグレイレベル差の分布に基づいて検出閾値を決定して欠陥検出部２４に出力する。
欠陥検出部２４は、差分検出部２２から入力したグレイレベル差と検出閾値計算部２３が決定した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。すなわち欠陥検出部２４は、グレイレベル差信号が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。
そして欠陥検出部２４は、検出した欠陥の位置、大きさ、検査画像と参照画像との間のグレイレベル差、これらの画像のグレイレベル値等の情報を含む欠陥情報を検出した欠陥毎に作成し、出力する。

図３は、検出閾値計算部２３の構成例を示すブロック図である。
図示するように、検出閾値計算部２３は、差分検出部２２が出力するグレイレベル差を入力して、その累積頻度を算出する累積頻度算出部３１と、この累積頻度を入力して、グレイレベル差に対してリニアな関係になるように累積頻度を変換し変換累積頻度を算出する変換累積頻度算出部３２と、この変換累積頻度全体を直線近似して、近似直線を算出する近似直線算出部３３と、この近似直線に基づいて所定の累積頻度の値から所定の算出方法に従って閾値を決定する閾値決定部３４とを備える。
このように構成された検出閾値計算部２３及び上記各構成要素の動作を、図４の（Ａ）〜図４の（Ｃ）を参照して説明する。ここに、図４の（Ａ）〜図４の（Ｃ）は、図３に示す検出閾値計算部２３による検出閾値計算処理の説明図である。

図１に示す差分検出部２２が算出した各画素（ピクセル）毎のグレイレベル差は、図３の累積頻度算出部３１に入力される。累積頻度算出部３１は、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４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。
そして累積頻度算出部３１は、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。

変換累積頻度算出部３２は、検出閾値計算部２３に入力される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、累積頻度算出部３１が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、変換累積頻度算出部３２は、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４の（Ｂ）に示す。

近似直線導出部３３は、変換累積頻度算出部３２が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）を導出する（図４の（Ｃ）参照）。
閾値決定部３４は、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。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、固定の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。

特開２００４−１７７３９７号公報

近年における半導体装置等の回路パターンの微細化に伴い、外観検査装置も微細な欠陥でも正確に検出できるように欠陥検出感度の向上が求められている。
外観検査装置の欠陥検出感度は、顕微鏡部１０のような光学系の光学条件（例えば照明光の強さや結像光学系のフォーカス位置など）や、欠陥検出部２４の欠陥の検出条件（例えば欠陥の検出に用いる上記検出閾値など）を含む外観検査装置自身の検査条件に依存する。
検査条件が適切に設定されていない状態で検査を行った場合、本来その外観検査装置の性能で検出できるはずの欠陥も検出できない。この場合、試料上に本当に欠陥が存在しないのか、それとも条件が適切に設定されていないのかが不明となる。

ところが、従来行われている装置状態の確認作業は、例えば一日１回といった定期的な頻度で、検査作業の前に毎回同じダミーウエハを使用してその外観検査を行い、前回確認を行ったときから装置状態が変化しないことを確認するだけにとどまっていた。これは検出感度に影響する外観検査装置の設定箇所が多岐に及ぶため、調整部位の全てに亘ってかつ頻繁に調整を行うのは煩雑すぎるからである。
しかしながら、外観検査を行う際には検査対象ウエハによって検査の際に使用される条件が異なる。このような条件の相違の例として、照明光に使用する光の波長や検査対象とする層の違いがある。このために検査作業の前にダミーウエハを使用して設定した、上記光学条件や欠陥検出条件といった検査条件が、個々の検査対象のウエハにとって適切なものであるか否か不明なまま外観検査を行っていた。

上記問題に鑑み、本発明は、現在設定されている検査条件が、実際の検査対象の試料に適した条件であるか否かを判定することが可能な外観検査装置及び外観検査方法を提供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、実際に検査の対象となる試料に予め既知の欠陥を設けておき、現在の検査条件の下でこの欠陥を欠陥検出できるか否かを判定する。このように実際に検査の対象となる試料に予め設ける既知の欠陥を「標準欠陥」と記す。
すなわち、実際の検査対象である試料の表面に予め設けられた標準欠陥を検出できれば、その試料に対して行われた検査は、少なくともその標準欠陥と同程度の欠陥を検出できるだけの検出感度を有していたことを保証できる。

本発明の第１形態によれば、試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置が提供される。本外観検査装置は、試料の被検査面を撮像した画像を入力してこの画像に存在する欠陥を検出する欠陥検出部と、検査対象である試料の被検査面に予め設けられた既知の標準欠陥の位置情報を記憶する標準欠陥データ記憶部と、標準欠陥が設けられた試料の被検査面を撮像した画像中の、標準欠陥データ記憶部に記憶された位置情報が示す位置に存在する標準欠陥を、欠陥検出部が検出できるか否かを判定する検出感度判定部と、を備える。

例えば、上記の欠陥検出部を、試料の被検査面を撮像した画像において本来同一となるべき対応箇所同士のグレイレベル差が所定の検出条件を満たすとき該対応箇所を欠陥候補として検出するように構成する場合には、検出感度判定部は、標準欠陥が設けられた試料の被検査面を撮像した画像において標準欠陥の箇所と他の箇所との間に生じるグレイレベル差である標準欠陥グレイレベル差が、所定の検出条件を満たすか否かに従って、標準欠陥を欠陥検出部で検出できるか否かを判定する。

また例えば、欠陥検出部は、検出された欠陥の位置情報を含む欠陥情報を出力するように構成する場合には、検出感度判定部は、標準欠陥が設けられた試料の被検査面を撮像した画像から欠陥検出部が検出した欠陥の欠陥情報に含まれる位置情報と、標準欠陥データ記憶部に記憶された位置情報とを比較することにより、標準欠陥が欠陥検出部に検出されたか否かを判定する。

本発明の第２形態によれば、試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する欠陥検出ステップを有する外観検査方法が提供される。本方法では、検査対象である試料の被検査面に予め設けられた既知の標準欠陥の位置情報を記憶する標準欠陥データ記憶ステップと、標準欠陥が設けられた試料の被検査面を撮像する撮像ステップと、撮像ステップにより得られた画像中の、標準欠陥データ記憶ステップで記憶された位置情報が示す位置に存在する標準欠陥を、欠陥検出ステップで検出できるか否かを判定する検出感度判定ステップと、を有する。

試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法において、現在設定されている検査条件が、実際の試料に適した条件であるか否かを判定することが可能となる。

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。図５は、本発明の第１実施例による外観検査装置の全体ブロック図である。外観検査装置１は、実際に検査を行う試料であるウエハ２の表面の光学像を撮像して撮像画像を得るための光学系である顕微鏡部１０と、顕微鏡部１０による撮像画像を入力しこの現れる欠陥を検出する画像処理部２０と、検出感度判定部５０と、を備える。
ここで検出感度判定部５０は、顕微鏡部１０が所定の光学条件の下で撮像した特定のウエハ２の表面の画像に対して、画像処理部２０が所定の欠陥検出条件を用いて欠陥検出処理を行なった場合に、外観検査装置１が所望の欠陥検出感度を有しているか否かを判定する機能を有する。これら画像処理部２０及び検査条件決定部５０は、コンピュータ等のデータ処理及び演算を行う計算機で実現することとしてよい。

図５に示す顕微鏡部１０の構成例を示すブロック図を図６に示し、同じく画像処理部２０の構成例を示すブロック図を図７に示す。図６及び図７にそれぞれ示した顕微鏡部１０及び画像処理部２０は、図１を参照して説明した外観検査装置に類似する構成を有しており、したがって同様の構成要素には同じ参照番号を付すこととし同様の機能については説明を省略する。

以下の説明では、外観検査装置１が有する欠陥検出感度に影響を及ぼす光学条件の例として、図６に示す光源１５の光量を考える。また同じく光学条件の例として、ステージ１１により試料台１２を昇降させ対物レンズ１３を含む結像光学系とウエハ２との間の相対距離を変更することによって調整可能なフォーカス状態を考える。
さらに、外観検査装置１が有する欠陥検出感度に影響を及ぼす画像処理部２０の欠陥検出条件の例として、図７に示す欠陥検出部２４による欠陥検出の際に、差分検出部２２から出力されるグレイレベル差（ΔＧＬ）と比較される検出閾値Ｔを考える。
また、上記の顕微鏡部１０の光学条件や画像処理部２０の検出条件のような、外観検査装置１の検出感度に影響を及ぼす外観検査装置１の設定条件を総称する場合には、以下本明細書において「検査条件」と記すことがある。

検出感度判定部５０は、検査面上に所定の標準欠陥が設けられたウエハが検査対象として外観検査装置１に入力されると、この試料の検査面を顕微鏡部１０で撮像した撮像画像に基づいて、外観検査装置１が所望の欠陥検出感度を有しているか否かを判定する。
図８に標準欠陥の設置例を示す。ウエハ２の表面には複数のダイ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…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。例えば塗りつぶされた四角印で示した標準欠陥９は繰返し配列されたダイの１つおき、或いは複数個おきに離して配置する。塗りつぶされていない四角印８は、ダイトゥダイ比較において標準欠陥９と比較される正常パターン部分を示す。
このように標準欠陥９を設けると、隣接するダイ同士の間でダイトゥダイ比較を行った場合に、隣接するダイの組の一方のダイ３ａに設けた標準欠陥９の箇所と、他方のダイ３ｂ内における対応箇所８（すなわち、標準欠陥９のダイ３ａにおけるダイ内位置と同じダイ内位置を有するダイ３ｂ内の位置）と、を各々撮像した撮像画像のグレイレベル同士の差が大きくなり、通常の欠陥と同様に検出することが可能となる。
また標準欠陥は、塗りつぶされた丸印９’のようにダイの外側のダイシングスペースに設けてもよい。塗りつぶされていない丸印８’はダイトゥダイ比較において標準欠陥９’と比較される正常パターン部分を示す。標準欠陥９’をＸ方向だけでなくＹ方向についても２ダイ以上離して配置することによって、Ｘ方向及びＹ方向のどちらの方向にダイトゥダイ比較を行っても、標準欠陥９’を検出することが可能となる。
同様にセルトゥセル比較を行う場合の検査条件を決定する場合には、標準欠陥９を互いに２セル以上離して配置する。
なお、１つの検査面上に複数の標準欠陥９を配置する場合には、標準欠陥９の種類は１種類とは限らなくてよく、寸法や形状が異なる複数種類の標準欠陥９を配置することも可能である。

図９の（Ａ）はウエハ２の表面に形成されるパターン例を示す拡大図であって、標準欠陥を含まない本来のパターンを示す図であり、図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）のパターン上に標準を設けた様子を示す図である。
図９の（Ａ）に示すように、ウエハ２の表面上の所定の領域１００に形成されるパターンは、複数の線状の導体回路パターン１０１〜１０４から成り、かつそのうちライン１０２は図示１０５の箇所において切断部を有し、ライン１０４は図示１０６の箇所において切断部を有する。

標準欠陥は、例えば図９の（Ｂ）の図示９１部分及び９２部分に示すように、それぞれ本来のライン１０１領域及びライン１０２領域から導体が突出した微小部分として形成してよい。また標準欠陥は、図示９３部分に示すように、本来のライン１０３の領域から導体が浸食された微小部分として形成してもよい。
あるいは、図示９４部分及び９５部分に示すように、本来のライン長を伸長し或いは短縮して形成してもよい。
これら標準欠陥９１〜９５は、その幅及び長さといった寸法として、半導体プロセス管理上管理すべき最小寸法を含む態様でウエハ２に設けられることが望ましい。このような寸法の標準欠陥を設けることにより、製造プロセス上、歩留りに影響しうる最小の欠陥を検出できるか否かを判定できる。また標準欠陥９１〜９５は、ウエハ２表面に形成された検査対象となるパターンを形成した製造プロセスにおいて形成してよい。或いは検査対象となるパターンを形成する前または形成した後にウエハ２の表面上に形成してもよい。

図５に戻り外観検査装置１は、外観検査装置１の動作に必要なその他の各種データを入力するためのデータ入力部４を備える。データ入力部４は、オペレータがデータを入力するためのキーボード、マウス、タッチパネル等のユーザインターフェース、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭやメモリーカードなどの各種リムーバブルメディアに記憶されて提供されるデータを読み込むためのフレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、メモリ読み取り装置などのリムーバブルメディア読み取り装置、及びデータをオンラインで入力するためのインタフェース装置等の、任意の入力装置のいずれかを含んで構成してよい。

データ入力部４は、ウエハ２に設けられた標準欠陥９に関する標準欠陥データを検査条件決定部５０に入力するためにも使用される。標準欠陥データは、標準欠陥９が設けられているダイを指定するダイ指定情報及びそのダイ内のどの位置に設けられているか等を示す標準欠陥９の位置情報を少なくとも含む。また、標準欠陥データに複数の標準欠陥９に関するデータが含まれる場合には、個々の標準欠陥９を識別するための識別子情報を含めることもできる。

図５に戻り、標準欠陥９が設けられたウエハ２の表面を顕微鏡部１０で撮像し、この撮像画像を画像処理部２０に入力すると、図７に示す画像処理部２０は、図１〜図４を参照して上述した外観検査方法と同様に、信号記憶部２１、差分検出部２２、検出閾値計算部２３及び欠陥検出部２４によって、ウエハ２の表面に現れる欠陥を検出し、検出した欠陥に関する欠陥情報を各欠陥毎に作成して画像処理部２０から出力する。出力される欠陥情報には標準欠陥９を検出した結果作成された欠陥情報も含まれる。

画像処理部２０から出力された欠陥情報は、図５に示すデータ出力部５を介して外観検査装置１の外部に出力される。
データ出力部５は、出力すべきデータをオペレータに表示するＣＲＴや液晶表示パネル等のディスプレイ装置や、紙媒体などに印字するプリンタ装置、出力すべきデータを記憶してフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭやメモリーカードなどの各種リムーバブルメディアに書き込むためのフレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、メモリ書き込み装置などのリムーバブルメディア書き込み装置、及びデータをオンラインで出力するためのインタフェース装置等の、任意の出力装置のいずれかを含んで構成してよい。

図１０は、図５に示す検出感度判定部５０の第１構成例を示すブロック図である。図示するとおり検出感度判定部５０は、グレイレベル差検出部６０と、標準欠陥データ記憶部６１と、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２と、バックグラウンドノイズレベル算出部６３と、仮検出条件決定部６４と、検出条件比較部６５を備える。
グレイレベル差検出部６０は、標準欠陥が設けられたウエハ２の表面を撮像した撮像画像を撮像部１４から入力し、図１を参照して説明した差分検出部２２と同様の動作により、入力された撮像画像において本来同一となるべき対応箇所同士のグレイレベル差を検出する。

標準欠陥データ記憶部６１は、入力部４から入力された標準欠陥データを記憶する。標準欠陥データ記憶部６１に記憶される標準欠陥データは少なくとも上記の標準欠陥が設けられた位置の位置情報を含む。
標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、標準欠陥データ記憶部６１に記憶された標準欠陥の位置情報に基づいて、グレイレベル差検出部６０が検出したグレイレベル差のうち、標準欠陥が設けられた箇所で検出されたグレイレベル差、すなわち標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓを抽出する。
バックグランドノイズレベル算出部６３は、標準欠陥データ記憶部６１に記憶された標準欠陥の位置情報に基づいて、グレイレベル差検出部６１が検出したグレイレベル差のうち、標準欠陥の箇所以外で検出されたグレイレベル差すなわちバックグラウンドのグレイレベル差だけを抽出し、検出感度判定部５０に入力された撮像画像のバックグランドのノイズレベルＮを算出する。

仮検出条件決定部６４は、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２が抽出した標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓと、バックグランドノイズレベル算出部６３が算出したノイズレベルＮとに応じて仮検出閾値Ｔａを決定する。
この仮検出閾値Ｔａは、入力された撮像画像において本来同一となるべき対応箇所同士の間に標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓよりも大きなグレイレベル差が生じたとき、このような対応箇所を欠陥候補として検出するのに適した閾値となるように、後に例示する所定の決定方法に従って決定される。

検出条件比較部６５は、画像処理部２０の欠陥閾値計算部２３から、欠陥検出部２４による欠陥検出処理に現在使用されている欠陥検出閾値Ｔｈを入力し、この欠陥検出閾値Ｔｈと仮検出条件決定部６４が決定した仮検出閾値Ｔａとを比較する。そして検出条件比較部６５は、ＴａとＴｈとの間の差や比が所定の許容範囲ΔＴ内であるとき外観検査装置１の検出感度が良いと判定し、ＴａとＴｈとの間の差や比が所定の許容範囲ΔＴ外であるとき外観検査装置１の検出感度が許容範囲外と判定する。検出条件比較部６５は、この判定結果を示す判定結果データを出力部５へ出力する。

図１１は、本発明の第１実施例による検出感度判定方法のフローチャートであって、図１０に示す検出感度判定部５０が外観検査装置１の検出感度の良否を判定する方法を示す。
ステップＳ１において、検出条件比較部６５は、画像処理部２０の欠陥閾値計算部２３から、欠陥検出部２４による欠陥検出処理に現在使用されている欠陥検出閾値Ｔｈを入力する。ステップＳ２において、標準欠陥が設けられたウエハ２の表面を撮像した撮像画像が、撮像部１４からグレイレベル差検出部６０へ入力される。

ステップＳ３において、グレイレベル差検出部６０は、撮像画像において本来同一となるべき対応箇所同士のグレイレベル差を検出する。グレイレベル差検出部６０は、例えば上述のダイトゥダイ比較やセルトゥセル比較において、図１や図７に示す差分検出部２２がパターン比較を行う際の検査画像とこれに対応する参照画像との間のグレイレベル差を検出してよい。
ステップＳ４において、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、グレイレベル差検出部６１が検出したグレイレベル差のうち、標準欠陥が設けられた箇所で検出されたグレイレベル差、すなわち標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓを抽出する。
このとき標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、標準欠陥データ記憶部６１に記憶されている標準欠陥の位置情報を読み出し、グレイレベル差検出部６０がグレイレベル差を検出した画素のうち、標準欠陥が存在する画素について検出したグレイレベル差だけを検出する。この様子を図１２の（Ａ）及び図１２の（Ｂ）を参照して説明する。

図１２の（Ａ）は、図示の領域９に標準欠陥９１〜９９が設けられたダイ３ａを示す図である。このダイ３ａと、このダイに隣接する他のダイであって標準欠陥が設けられていないダイと、の間のグレイレベル差を検出すると、標準欠陥９１〜９９が設けられた領域９において検出されるグレイレベル差ΔＧＬの分布は、図１２の（Ｂ）に示すとおりとなる。図示のΔＧＬＡｖｅは、領域９内のグレイレベルの平均値を示す。

図１２の（Ｂ）に例示するグレイレベル差の分布のうち、分布の中央を含む図示１２０の部分は領域９内の各画素のうち標準欠陥９１〜９９以外の画素で生じたバックグランドのグレイレベル差の分布を示し、図示１２０の部分のグレイレベル差と比べてグレイレベル差の絶対値が大きい図示１２１及び１２２の部分は、標準欠陥９１〜９９で生じたグレイレベル差の分布を示す。
標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、標準欠陥データ記憶部６１に記憶されている標準欠陥の位置情報に基づき、標準欠陥が存在する画素について検出したグレイレベル差だけ抽出することにより、図示１２１及び１２２の部分のグレイレベル差の分布を得ることができる。

ステップＳ５において、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、図示１２１及び１２２の部分の分布を有するグレイレベル差の代表値を決定し、これを標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓとする。
ここで標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓは、以後のステップにおいて仮検出閾値Ｔａを決定する基準として使用される。仮検出閾値Ｔａは、図７に示す欠陥検出部２４により欠陥検出閾値として用いられたとき、欠陥検出部２４が標準欠陥９１〜９９の全てを欠陥として検出できるように設定される。そこで、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、標準欠陥９１〜９９により生じた図示１２１及び１２２の部分の分布に基づいて標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓを決定する。

図１３を参照して標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓの決定方法を説明する。標準欠陥グレイレベル差抽出部６２は、標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓの決定に用いる複数の標準欠陥９１〜９９のそれぞれについて、これらの標準欠陥について検出されたグレイレベル差の代表値をそれぞれ求め、これら代表値のうち最も小さい値を標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓとしてよい。
図１３の例では、３つの標準欠陥についてそれぞれ検出されたグレイレベル差の分布１２１〜１２３の最大値をそれぞれの代表値ΔＧＬ１、ΔＧＬ２及びΔＧＬ３として定め、このうち最も小さいΔＧＬ１を標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓとして決定する。

撮像画像の各画素は撮像画像のノイズレベルに従って変動し、仮検出閾値Ｔａにはノイズレベルに応じたマージンを設けるのが好適である。またノイズレベルはバックグラウンドの分散に比例する量と仮定することができる。
このため、ステップＳ６において、バックグランドノイズレベル算出部６３は、グレイレベル差検出部６１が検出したグレイレベル差のうち、標準欠陥の箇所以外で検出されたグレイレベル差すなわちバックグラウンドのグレイレベル差だけを抽出する。このグレイレベル差の分布は、図１２の（Ｂ）における図示１２０の部分のとおりとなる。

ステップＳ７において、バックグランドノイズレベル算出部６３は、検出感度判定部５０に入力された撮像画像のバックグランドのノイズレベルＮを算出する。ノイズレベルＮは、例えばステップＳ６で抽出したバックグラウンドのグレイレベル差の分散値として決定してよく、または簡単に標準欠陥の箇所以外で検出されたグレイレベル差の分布の幅として決定してもよい。

ステップＳ８において、仮検出条件決定部６４は、標準欠陥グレイレベル差抽出部６２が抽出した標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓから、バックグランドノイズレベル算出部６３が算出したノイズレベルＮに応じたマージン（α×Ｎ）＋βを差し引いた値である、
Ｔ１＝ΔＧＬｓ−（α×Ｎ）−β （１）
を仮検出閾値Ｔａとして決定する。ここでα及びβは所定の定数である。
またはより簡単に、条件決定部６４は、標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓから所定のマージンβを差し引いた値である、
Ｔ２＝ΔＧＬｓ−β （２）
を仮検出閾値Ｔａとして決定する。仮検出閾値Ｔａとして採用されるこれらの値Ｔ１及びＴ２と、標準欠陥グレイレベル差ΔＧＬｓとの関係を図１２の（Ｂ）に示す。

ステップＳ９において、検出条件比較部６５は、ステップＳ８で算出した仮検出閾値Ｔａと、ステップＳ１で入力した現在の欠陥検出閾値Ｔｈとを比較する。そしてＴａとＴｈとの間の差や比が所定の許容範囲ΔＴ内であるときは、検出条件比較部６５はステップＳ１０にて外観検査装置１の検出感度が良いと判定し、ＴａとＴｈとの間の差や比が所定の許容範囲ΔＴ外であるときには検出条件比較部６５はステップＳ１１にて外観検査装置１の検出感度が許容範囲外であると判定する。

許容範囲ΔＴの幅は、仮検出閾値Ｔａとして上記の値Ｔ１が採用されるときには、マージン（α×Ｎ）＋βよりも小さな値に設定され、仮検出閾値Ｔａとして上記の値Ｔ２が採用されるときにはマージンβよりも小さな値に設定される。したがって、ステップＳ１０にて外観検査装置１の検出感度が良いと判定された場合には、欠陥検出部２４は現在の欠陥検出感度Ｔｈを用いて標準欠陥９１〜９９を全て検出することが可能である。

図１４は、本発明の第２実施例による外観検査装置１の全体ブロック図である。図１４に示す外観検査装置１の構成は、図５に示す外観検査装置５の構成と類似しているため、同様の構成要素について同じ参照符号を付することとし同様の機能については説明を省略する。
本構成では、画像処理部２０がウエハ２に形成された標準欠陥を検出し、検出感度判定部５０は、画像処理部２０が生成した欠陥情報を用いて外観検査装置１が所望の欠陥検出感度を有しているか否かを判定する機能を有する。
図１５及び図１６は、それぞれ図１４に示す顕微鏡部１０及び画像処理部２０の構成例を示すブロック図である。これら顕微鏡部１０及び画像処理部２０は、図６及び図７にそれぞれ示す顕微鏡部１０及び画像処理部２０と類似する構成を有するため、同様の構成要素について同じ参照符号を付することとし同様の機能については説明を省略する。

本構成における欠陥検出部２４は、差分検出部２２によって比較される検査画像と参照画像の間、すなわち撮像画像中の本来同一であるべき対応箇所同士の間で比較した結果を示す所定の評価値を欠陥条件に含めて出力する。
ここでは評価値として、欠陥箇所において検査画像とこれに対応する参照画像との間の差の程度に応じて変わる値を選択する。このような評価値として、欠陥検出部２４は、例えば検査画像と参照画像の間において当該欠陥の検出位置で生じたグレイレベル差や、検出された欠陥のサイズを欠陥情報に含めてよい。

図１７は、図５に示す検出感度判定部５０の構成例を示すブロック図である。図示するとおり検出感度判定部５０は、標準欠陥データ記憶部６１と、標準欠陥抽出部７０と、欠陥比較部７１と、を備える。
図１０に示した検出感度判定部５０の構成の場合と同様に、標準欠陥データ記憶部６１は、入力部４から入力された標準欠陥データを記憶する。標準欠陥データ記憶部６１に記憶される標準欠陥データは少なくとも上記の標準欠陥が設けられた位置の位置情報を含む。さらに本構成では、標準欠陥データには、欠陥検出部２４が標準欠陥について出力した欠陥情報に含まれる上記の所定の評価値に対応する目標評価値を含む。

この目標評価値は、この標準欠陥部分について生じた検査画像と参照画像の間の差が本来予定された差とどれだけ異なるかの尺度を、標準欠陥について出力された欠陥情報に含まれる所定の評価値とこの目標評価値との間の差分の大きさに応じて定めることが可能な値である。このような目標評価値の例を上げると、上述の所定の評価値が検査画像と参照画像の間において当該欠陥の検出位置で生じたグレイレベル差である場合には、ウエハ２の表面上の標準欠陥を設ける予定箇所に、標準欠陥を設けた場合と設けなかった場合にこの予定箇所を撮像部１４でそれぞれ撮像した画像の間のグレイレベル差を目標評価値としてよい。また例えば所定の評価値が検出された欠陥サイズである場合には、目標評価値は標準欠陥のサイズであってもよい。

このような目標評価値は、データ入力部４を介して外部から検出感度判定部５０に与えてもよいが、外観検査装置１内の顕微鏡部１０で撮像した撮像画像を用いて画像処理部２０で算出してもよい。本構成による検出感度判定部５０は、欠陥検出部２４から出力される欠陥情報を入力して、このような目標評価値を含む標準欠陥データを作成する標準欠陥データ作成部７２を備える。

標準欠陥データの作成は例えば次の通りに行う。まず外観検査装置１の検査条件を変えながら何度か欠陥検出を行い、標準欠陥を良好に検出できる状態に設定しておく。そしてこの状態で、欠陥検出部２４から出力される欠陥情報を標準欠陥データ作成部７２に入力する。
標準欠陥データ作成部７２は、入力した欠陥情報のうちから、標準欠陥データ記憶部６１に記憶された標準欠陥の位置情報に基づいて、標準欠陥に係る欠陥情報を抽出する。

欠陥検出部２４から出力される欠陥情報には、検出した欠陥の位置における検査画像と参照画像との間で生成した評価値が含まれている。標準欠陥データ作成部５５は、好適な検出状態において検出した標準欠陥の欠陥情報に含まれる評価値を、目標評価値として標準欠陥データ記憶部６１に記憶する。

例えば上記のようなグレイレベル差を所定の目標評価値として標準欠陥データに含める場合には、標準欠陥の位置において検査画像と参照画像との間で検出されたグレイレベル差が評価値として含まれている。
ここで、標準欠陥は検査画像と参照画像のいずれか一方に存在し、他方の画像には存在しない。また標準欠陥が設けられなかった場合にはこれら検査画像及び参照画像は本来同一となる。したがって、標準欠陥箇所において検査画像と参照画像の間で検出されたグレイレベル差は、ウエハ２の表面上の標準欠陥を設ける予定箇所に、標準欠陥を設けた場合と設けなかった場合にこの予定箇所を撮像部１４でそれぞれ撮像した画像の間のグレイレベル差を与える。このような評価値を好適な検査状態において作成することによって、標準欠陥部分について検査画像と参照画像の間に本来生じるべき差を示す目標評価値を得ることができる。標準欠陥のサイズについても同様である。

標準欠陥抽出部７０は、欠陥検出部２４から欠陥情報を入力し、入力された欠陥情報が示す欠陥の位置情報と、標準欠陥データ記憶部６１に記憶された標準欠陥の位置情報とを比較することにより、入力された欠陥情報が標準欠陥に関する欠陥情報か否かを判定し、標準欠陥に関する欠陥情報のみを抽出する。
欠陥比較部７１は、標準欠陥抽出部７０により抽出された欠陥情報が示す標準欠陥に関する情報と、標準欠陥データ記憶部６１に記憶されている標準欠陥に関する情報とを比較し、この比較結果に応じて外観検査装置１の検出感度の良否を判定する。具体的な判定方法は以下に例示する。

図１８は、本発明の第２実施例による検出感度判定方法のフローチャートであって、図１０に示す検出感度判定部５０が外観検査装置１の検出感度の良否を判定する方法を示す。
ステップＳ２１において、標準欠陥データを入力部４から入力し又は標準欠陥データ作成部７２で作成することにより、予め標準欠陥データを標準欠陥データ記憶部６１に記憶しておく。
ステップＳ２２において、標準欠陥抽出部７０は欠陥検出部２４から欠陥情報を入力する。

ステップＳ２３において、標準欠陥抽出部７０は、入力された欠陥情報のうちから標準欠陥に関する欠陥情報だけを抽出する。このとき評価値抽出部６６は、標準欠陥データ記憶部７２に記憶されている標準欠陥の位置情報を読み出し、入力された欠陥情報に含まれる欠陥検出位置が、標準欠陥データ記憶部７２に記憶されている標準欠陥の位置情報のいずれかに該当するか否かを判断することによって、入力された欠陥情報が標準欠陥に関するものであるか否かを判断する。そして標準欠陥に関する欠陥情報のみを抽出し、欠陥比較部７１に出力する。

ステップＳ２４において、欠陥比較部７１は、標準欠陥抽出部７０から入力した欠陥情報が示す標準欠陥に関する情報と、標準欠陥データ記憶部７２に記憶されている標準欠陥に関する情報とを比較し、この比較結果に応じて外観検査装置１の検出感度の良否を判定する。
例えば、欠陥比較部７１は、ウエハ２の所定の範囲内において欠陥検出部２４が検出した標準欠陥の数と、この所定の範囲内に本来存在している筈の標準欠陥の数とを比較する。
または欠陥比較部７１は、ある標準欠陥に関する欠陥情報に含まれる上記所定の評価値と、この標準欠陥に関する標準欠陥データに含まれる目標評価値とを比較する。

ステップＳ２５において、欠陥比較部７１は、ステップＳ２４において行った比較の結果が所定の許容範囲内である場合には、ステップＳ２６において外観検査装置１の検出感度が良いと判定し、比較結果が所定の許容範囲外であるときはステップＳ２７において外観検査装置１の検出感度が許容範囲外であると判定する。
例えば欠陥比較部７１は、所定の範囲内に本来存在している筈の標準欠陥の数に対する、欠陥検出部２４が検出した標準欠陥の数の割合である検出率が、許容される最低検出率よりも低い場合には外観検査装置１の検出感度が許容範囲外であると判定し、この検出率が最低検出率よりも大きい場合には外観検査装置１の検出感度が適正と判定する。
また例えば欠陥比較部７１は、ある標準欠陥に関する欠陥情報に含まれる評価値と、この標準欠陥に関する標準欠陥データに含まれる目標評価値との差が、許容値よりも大きい場合には外観検査装置１の検出感度が許容範囲外であると判定し、この差が許容値よりも小さい場合には外観検査装置１の検出感度が適正と判定する。

以上、本発明の実施例を、照明光を用いた光学式撮像手段により得た試料表面の撮像画像に現れる欠陥を検出する外観検査装置について説明した。しかし本発明はこれに限定されず、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子線を用いた電子光学式撮像手段を用いて取得した試料表面の撮像画像に現れる欠陥を検出する外観検査装置にも適用可能である。
したがって、特許請求の範囲に記載される「光学系」およびその「光学条件」は、電磁波である光を扱う光学系及びその光学条件のほか、電子線を扱う電子光学系及びその電子光学系の設定条件も含まれるものとして使用される。

本発明は、検査対象となる試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法に利用可能である。特に、半導体ウエハや、フォトマスク用基板、並びに液晶表示パネル用基板、液晶デバイス用基板などの表面の撮像画像に基づき、これらの表面に形成されたパターンの欠陥を検出する外観検査装置及び外観検査方法に利用可能である。

従来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。 検出閾値計算部２３の構成例を示すブロック図である。 図３に示す検出閾値計算部による検出閾値計算処理の説明図である。 本発明の第１実施例による外観検査装置の全体ブロック図である。 図５に示す顕微鏡部の構成例を示すブロック図である。 図５に示す画像処理部の構成例を示すブロック図である。 標準欠陥の設置例を示す図である。 （Ａ）はウエハ２の表面に形成される本来のパターン例を示す拡大図であり、（Ｂ）は（Ａ）のパターン上に標準を設けた様子を示す図である。 図５に示す検出感度判定部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施例による検出感度判定方法のフローチャートである。 図１１における検出感度判定方法の説明図である。 標準欠陥グレイレベル差の決定方法の一例の説明図である。 本発明の第２実施例による外観検査装置の全体ブロック図である。 図１４に示す顕微鏡部の構成例を示すブロック図である。 図１４に示す画像処理部の構成例を示すブロック図である。 図１４に示す検出感度判定部の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２実施例による検出感度判定方法のフローチャートである。

符号の説明

１ 外観検査装置
２ ウエハ
３、３ａ〜３ｄ ダイ（チップ）
９、９１〜９９ 標準欠陥

Claims (6)

1. 試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する外観検査装置であって、
   前記試料の被検査面を撮像した画像を入力し、この画像に存在する欠陥を検出する欠陥検出部と、
   検査対象である前記試料の被検査面に予め設けられた既知の標準欠陥の位置情報を記憶する標準欠陥データ記憶部と、
   前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像した画像中の、前記標準欠陥データ記憶部に記憶された位置情報が示す位置に存在する前記標準欠陥を、前記欠陥検出部が検出できるか否かを判定する検出感度判定部と、
   を備えることを特徴とする外観検査装置。
2. 前記欠陥検出部は、前記試料の被検査面を撮像した画像において本来同一となるべき対応箇所同士のグレイレベル差が所定の検出条件を満たすとき該対応箇所を欠陥候補として検出するように構成され、
   前記検出感度判定部は、前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像した画像において前記標準欠陥の箇所と他の箇所との間に生じるグレイレベル差である標準欠陥グレイレベル差が、前記所定の検出条件を満たすか否かに従って、前記標準欠陥を前記欠陥検出部で検出できるか否かを判定するように構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記欠陥検出部は、検出された前記欠陥の位置情報を含む欠陥情報を出力し、
   前記検出感度判定部は、前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像した画像から前記欠陥検出部が検出した欠陥の欠陥情報に含まれる位置情報と、前記標準欠陥データ記憶部に記憶された前記位置情報とを比較することにより、前記標準欠陥が前記欠陥検出部に検出されたか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
4. 試料の被検査面を撮像した画像を検査することによりこの被検査面に存在する欠陥を検出する欠陥検出ステップを有する外観検査方法であって、
   検査対象である前記試料の被検査面に予め設けられた既知の標準欠陥の位置情報を記憶する標準欠陥データ記憶ステップと、
   前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップにより得られた画像中の、前記標準欠陥データ記憶ステップで記憶された位置情報が示す位置に存在する前記標準欠陥を、前記欠陥検出ステップで検出できるか否かを判定する検出感度判定ステップと、
   を有することを特徴とする外観検査方法。
5. 前記欠陥検出ステップは、前記試料の被検査面を撮像した画像において本来同一となるべき対応箇所同士のグレイレベル差が所定の検出条件を満たすとき該対応箇所を欠陥候補として検出し、
   前記検出感度判定ステップは、前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像した画像において前記標準欠陥の箇所と他の箇所との間に生じるグレイレベル差である標準欠陥グレイレベル差が、前記所定の検出条件を満たすか否かに従って、前記標準欠陥を前記欠陥検出部で検出できるか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の外観検査方法。
6. 前記欠陥検出ステップにより検出された前記欠陥の位置情報を含む欠陥情報を出力し、
   前記検出感度判定ステップは、前記標準欠陥が設けられた前記試料の前記被検査面を撮像した画像から前記欠陥検出ステップにより検出した欠陥の位置情報と、前記標準欠陥データ記憶ステップで記憶された前記標準欠陥の位置情報とを比較することにより、前記標準欠陥が前記欠陥検出ステップにより検出されたか否かを判定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の外観検査方法。

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