JP2009188175A - 外観検査装置及び外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウエハを撮像装置で走査して表面画像を取得し、ダイ毎にイメージ比較を行い欠陥を検出する外観検査において、半導体ウエハの表面上の十字形状領域における外観検査の検査速度を向上させる方法の提供。
【解決手段】外観検査装置１は、半導体ウエハ２を載置するための回転可能な試料台１２と、半導体ウエハ２を少なくともＸ方向に移動可能なステージ１１と、を備え、試料台１２を９０度回転させる前後のそれぞれにおいて、ステージ１１をＸ方向へ移動させて撮像部１４で半導体ウエハ２を走査することによって、半導体ウエハ２上の十字形状領域の画像を取得し、十字形状領域においてイメージ比較を行う検査モードを有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体ウエハを撮像部で走査することにより半導体ウエハ表面の画像を取得し、ダイ毎にイメージ比較を行って半導体ウエハ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。特にこのような外観検査装置及び外観検査方法において、検査処理時間の短縮を図る技術に関する。

半導体ウエハ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外観検査が広く行われている。

図１は、従来の外観検査装置の概略構成図である。外観検査装置１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半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と示す）２を載置して固定する。ステージ１１は、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。

試料台１２の上方には、ウエハ２の表面の光学像を撮像するための撮像部１４が設けられる。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、対物レンズ１３により投影され撮像部１４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。
撮像部１４として１次元のＴＤＩカメラが採用されることがある。ＴＤＩカメラが採用される場合には、ステージ１１を移動することにより撮像部１４とウエハ２とが相対的に移動し、これによってウエハ２に対して撮像部１４をＸ方向及び／又はＹ方向に走査されることによってウエハ２の表面の２次元画像が取得される。
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記憶部１５に記憶される。

外観検査装置１は、ウエハ２を照明するための光源１６を有する。光源１６から生じる照明光は集光レンズ１７により集光された後に、ビームスプリッタ１８によって対物レンズ１３の方向へ反射され、対物レンズ１３を通過してウエハ２の表面へ入射する。ビームスプリッタ１８は対物レンズ１３の光軸上に配置されており、対物レンズ１３から撮像部１４へ投影されるウエハ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（例えば３ａ及び３ｂ）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。

なお、ダイトゥダイ比較では、隣り合う２つのダイ（例えば３ａ及び３ｂ）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（例えばダイ３ｃ）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）。

図１に戻り、外観検査装置１は、画像記憶部１５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２１を備える。
ステージ１１がＸ方向へ移動することによって、１次元ＴＤＩカメラである撮像部１４でウエハ２を、図２に示す走査経路１０１及び１０２に沿って連続的に走査する間に、撮像部１４の出力信号を取り込むと、画像記憶部１５にウエハ２の２次元画像が蓄積される。差分検出部２１は、ステージ１１の位置情報に基づいて、隣接する２つのダイの対応箇所の部分画像を画像記憶部１５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欠陥検出部２２に出力する。

欠陥検出部２２は、差分検出部２１から入力したグレイレベル差と所定の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２２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２２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。

特開２０００−１６４６５８号公報

半導体の製造工程の複雑化と工期短縮の要求のため、半導体デバイス生産工場にて実施される外観検査には検査処理時間の短縮が要求される。従来、外観検査におけるスループットを向上させるために、各画素間の比較速度を向上することで検査処理能力の向上を図り、これによってウエハの処理枚数を増大させるアプローチが試みられてきた。

一方で、半導体生産ラインに外観検査を導入する目的は、予想されるウエハ表面の問題とその傾向の分析、ならびにこの分析により判明した発生原因への対応を、迅速に生産ラインに展開することにある。
そして外観検査では、ウエハ上の欠陥の分布の大局的な傾向を知ることで、またはウエハ上の特定の領域において行った検査を行い特定領域内の各箇所でそれぞれ検出される欠陥数同士の間の大小を知ることで、欠陥の発生原因を特定できることも多い。したがって、必ずしもウエハ全面において外観検査を実施しなくとも、特に大量生産を行う半導体装置製造工場における外観検査の導入目的を達成できることが多い。

このため外観検査では、大局的な傾向だけを調べること、若しくは特定領域内の欠陥発生量だけを調べることにより検査すべき面積を従来よりも減少させ、１枚当たりのウエハの処理時間を減少させ、ウエハの処理枚数を増大させることができる。そして、ウエハ上の欠陥の分布傾向を知るためには、図３に示すようなウエハ２上の十字形状領域１０３を、検査領域とすることが１つの手法として採りうる。

しかしながら、検査領域を十字形状領域１０３に限定しても、検査面積の減少量に比例する程の処理速度の短縮は得られない。その理由を以下に述べる。
図３に示す十字形状領域１０３においてイメージ比較を行うためには、撮像部１４によりウエハ２を走査する主走査方向（Ｘ方向）に延びるＸ方向伸長領域１０３ｘと、この主走査方向と直交する副走査方向（Ｙ方向）に延びるＹ方向伸長領域１０３ｙの画像を取得する必要がある。
ここで、Ｘ方向伸長領域１０３ｘにおけるイメージ比較においては、１回の主走査方向での走査だけで対比するべきダイ３ａ〜３ｃの画像を取得できる。また、あるダイについて検査された画像が、隣接ダイの検査用の参照画像として使用することができるため、検査の効率がよい。

図４は、Ｙ方向伸長領域１０３ｙの検査のための走査経路の第１例を示す図である。図４に示す走査経路１０５では、１回の主走査の長さは１つのダイの長さとほぼ同じであり、Ｙ方向へ位置をずらしながら主走査を連続して行うことにより、Ｙ方向へ伸長するダイ１列分の幅のＹ方向伸長領域１０３ｙの画像を得る。このような走査は次の理由により実際には困難である。

第１に本方法では、異なる主走査において取得された画像間においてイメージ比較を行う必要がある。しかし外観検査で行われるイメージ比較には非常に高い位置精度が要求されるため、Ｙ方向へのステージ移動の前後で行われた複数の主走査で得た画像間のイメージ比較を正確に行うのは実際には困難である。
第２に、外観検査装置により実行されるイメージ比較処理のアルゴリズムは、通常、主走査方向に並んだダイ同士を対比するように考えられている。したがって、本方法のように異なる主走査で得た画像同士を比較するように外観検査装置を動作させるには、ソフトウエアの大幅な変更を伴うため、多大なコストと労力を要する。

図５は、Ｙ方向伸長領域１０３ｙの検査のための走査経路の第２例を示す図である。図４に示す走査経路１０７では、１回の主走査の長さを３つのダイの長さとほぼ同じにしている。このような走査経路１０７を採用することによって、Ｙ方向伸長領域１０３ｙ内のＸ方向に並ぶ３つのダイ間でイメージ比較を行うことができ、図４に示す経路の問題点を解消することができる。例えば図５の例では検査対象のダイ３ｄの画像を、参照画像となるダイ３ｅ及び３ｆの画像と比較することができる。
しかし、図５に示すＹ方向伸長領域１０３ｙは、１列のダイ３を検査するために両側２列のダイの画像を必要とし、Ｘ方向伸長領域１０３ｘにおいてイメージ比較を行う場合と比べて画像取得に３倍の時間を要する。このため、検査領域を十字形状領域１０３に限定しても、検査面積の減少量に比例する程の処理速度の短縮は得られない。

なおＹ方向伸長領域１０３ｙを検査する際に、図６に示すように撮像部１４によるウエハ２上の主走査方向をＹ方向にすることも考えられる。図６に示す例では、主走査経路１０８はＹ方向に沿っている。
しかし、撮像部１４が１次元ＴＤＩカメラである場合には、撮像素子の配置方向によって主走査方向が定まることから、Ｘ方向伸長領域１０３ｘ及びＹ方向伸長領域１０３ｙのいずれかを撮像するかに応じて主走査方向を切り替えられるような構成とするのは、大幅な装置の変更を伴う。

上記の問題点に鑑み、本発明は、半導体ウエハの表面上の十字形状領域における外観検査の検査速度を向上させ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、半導体ウエハ上の十字形状領域を撮像する際に、半導体ウエハを９０度回転させる。半導体ウエハを９０度回転させる前後において半導体ウエハを同じ方向へ移動させて撮像装置で半導体ウエハを走査することによって、半導体ウエハ上の十字形状領域の画像を取得する。
このように画像を取得することによって、ウエハ上にて直交する２方向のいずれの方向においても、それぞれの方向に沿って撮像装置で半導体ウエハを走査し、かつそれぞれの方向へ並んで配列されたダイ同士の間でイメージ比較を行うことが可能となる。
したがって、これら２方向へそれぞれ沿って行われるイメージ比較処理の所要時間を、従来の主走査方向に沿って行われるイメージ比較処理の所要時間と等しくすることが可能となり、十字形状領域における外観検査の検査速度を向上させることが可能となる。

外観検査では、半導体ウエハを照明する照明光に偏光された光を用いることがある。ここで外観検査の対象となる半導体ウエハの表面のパターンは非常に微細であり、半導体ウエハに入射する照明光の偏光方向と、半導体ウエハ表面のパターンの方向との相対的な方向関係が違うと撮像装置で取得できる画像が変化することがある。
このため、撮像装置で走査される半導体ウエハの向きに応じて、半導体ウエハを照明する照明光の偏光方向を調整してもよい。

本発明によって、半導体ウエハの表面上の十字形状領域における外観検査の検査速度が向上する。

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７は、本発明の実施例による外観検査装置の概略構成図である。図７に示す外観検査装置１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、同一の構成要素に対して同一の参照符号を付する。また、図７に示す各構成要素は、図１において同じ参照符号を付して示された各構成要素と同じ機能を少なくとも有しており、既に説明した機能については記載の重複を避けるために、詳しい説明を省略する。

外観検査装置１は、Ｘ−Ｙ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１２が設けられており、ステージ１１はＺ軸を回転軸として試料台１２を回転させることができる。この試料台１２の上にはウエハ２を載置して固定する。
試料台１２の上方には、１次元のＴＤＩカメラである撮像部１４が設けられる。撮像部１４は、対物レンズ１３により投影され撮像部１４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。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記憶部１５に記憶される。

外観検査装置１は、ウエハ２を照明するための光源１６を有する。光源１６から生じる照明光は集光レンズ１７により集光された後に、偏光ビームスプリッタ１９により対物レンズ１３の方向へ反射され、対物レンズ１３を通過してウエハ２の表面へ入射する。偏光ビームスプリッタ１９は、対物レンズ１３の光軸上に配置されており、対物レンズ１３から撮像部１４へ投影されるウエハ２の表面の光学像の投影光を透過する。

また、外観検査装置１は、画像記憶部１５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差分検出部２１と、差分検出部２１から入力したグレイレベル差と所定の検出閾値とを比較して、グレイレベル差信号が検出閾値を超える画素の位置を欠陥として検出する欠陥検出部２２を備える。

外観検査装置１は、従来の外観検査と同様にウエハ２上のほぼ全面を検査する通常検査モードと、図３に示す十字形状領域１０３でのみ検査を行う十字検査モードの、２種類の動作モードを少なくとも有する。外観検査装置１は、その動作モードを通常検査モード及び十字検査モードのいずれかに設定する動作モード設定部３０を備える。動作モード設定部３０は、入力部３１によって入力された検査レシピにおいて指定されている動作モードの指定を読み取り、外観検査装置１の動作モードを設定する。

外観検査装置１は、上記２つの動作モードの各々に応じたステージ１１や試料台１２の動作を記憶する動作シーケンス記憶部３２と、動作シーケンス記憶部３２に記憶されたデータに従って、上記２つの動作モードの各々に応じた一連の動作をステージ１１や試料台１２に行わせるように、これらを駆動するステージ制御部３３を有する。

また外観検査装置１は、ウエハ２上に指定された検査領域（ケアエリア）を指定するケアエリア情報や、ステージ１１の位置情報に基づいて決定したウエハ２と撮像部１４との相対位置と、撮像画像から決定したウエハ２と撮像部１４との相対位置とのずれ量を補正するアライメント情報を変換する検査情報変換部３４を備える。検査情報変換部３４は、十字検査モードにおいて、試料台１２の向きを変えて撮像部１４でウエハ２を走査するときに、試料台１２の向きに応じてケアエリア情報やアライメント情報の座標情報を変換する。
これらケアエリア情報やアライメント情報は差分検出部２１に供給され、差分検出部２１はケアエリア情報によってグレイレベル差を求めるべき画像領域を決定し、アライメント情報によってウエハ２の画像中のどこに各ダイがあるかを正確に決定することができる。

また外観検査装置１は、偏光ビームスプリッタ１９で反射して直線偏光された照明光が通過するλ／２波長板３５と、λ／２波長板３５を通過した照明光を円偏光にするλ／４波長板３６と、を備えている。
回転機構３７は、例えばモータ等を有しており、λ／２波長板３５とλ／４波長板３６を同時に回転させることにより、ウエハ２へ入射する照明光の偏光面の向きを変える。
外観検査装置１は、回転機構３７によりλ／２波長板３５とλ／４波長板３６を回転させることにより、撮像部１４の受光面に結像するウエハ２の光学像の状態を変化させ、撮像部１４により取得されるウエハ２の画像信号のＳ／Ｎ比を調整するＳ／Ｎ比調整部３８を有している。
欠陥選別部３９については後述する。

図８は本発明の実施例による外観検査方法のフローチャートである。ステップＳ１では外観検査装置１の動作モードが十字検査モードに設定される。動作モード設定部３０は、入力部３１によって入力された検査レシピにおいて、十字検査モードが指定されていることを読み取り、外観検査装置１の動作モードとして十字検査モードを設定する。設定された動作モードは、欠陥検出部２２、検査情報変換部３４、ステージ制御部３３、Ｓ／Ｎ比調整部３８及び欠陥選別部３９へ通知される。
動作モードの変更が通知されたステージ制御部３３は、動作シーケンス記憶部３２から十字検査モード用の動作指定データを読み出し、以降では十字検査モードのための動作をステージ１１や試料台１２に行わせる。

ステップＳ２では、ステージ制御部３３は、試料台１２のＺ軸周りの回転角度のアライメントを行う。このアライメントによって、ウエハ２の上に行列状に繰り返し配置されたダイの２次元の反復方向のうちの一方の方向を、ステージ１１のＸ方向に一致される。この様子を図９の（Ａ）に示す。図示の例では、ウエハ２の上に行列状に繰り返し配置されたダイ３の反復方向のうち、縦線の網掛けで示したダイ３が並ぶ方向が、ステージのＸ方向に一致される。

ステップＳ３では、ステージ制御部３３は、ステップＳ２にてウエハ２の方向を定めた状態でＸ方向にステージ１１を移動させ、Ｘ方向に沿う走査経路１１０上を撮像部１４でウエハ２を走査する。これによって図９の（Ａ）の縦線の網掛けで示したダイ３を含む帯状領域の画像を取得する。そして差分検出部２１は、取得した画像内の十字検査モード用に定められたケアエリア内にてイメージ比較を行い、欠陥検出部２２はその比較結果と閾値とを比較して欠陥を検出する。

ステップＳ４では、ステージ制御部３３は試料台１２を回転させ、ウエハ２の向きを図９の（Ｂ）に示すように９０度回転させる。ステージ１１は、ステップＳ２にてウエハ２の回転角度のアライメントにおいて試料台１２へのウエハ２の載置角度の誤差分だけ試料台１２を回転させ、さらにステップＳ４において試料台１２を９０°回転させる。したがって、ステージ１１が試料台１２を回転させるための回転機構は、ステップＳ２のアライメントによって許容すべきウエハ２の載置角度の許容誤差分に９０°を加えた角度分だけ、試料台１２を回転できる機構が採用される。
ステップＳ５では、検査情報変換部３４は、試料台１２の回転によるウエハ２上の座標系の変換に伴う、ケアエリア情報及びアライメント情報の座標変換処理を行う。

ステップＳ６では、ステップＳ４によるウエハ２の回転に伴ってウエハ２上のパターンの方向と照明光の偏光方向との相対的な方向関係が変わり、撮像画像へ変化が生じることを回避もしくは低減するために、Ｓ／Ｎ比調整部３８は、回転機構３７によりλ／２波長板３５とλ／４波長板３６を同時に予め定められた角度だけ回転させて、ウエハ２へ入射する照明光の偏光方向を粗調整する。
ステップＳ７では、Ｓ／Ｎ比調整部３８は、撮像部１４により撮像される画像のＳ／Ｎ比を検出し、検出されるＳ／Ｎ比がステップＳ３にて撮像される画像のＳ／Ｎ比と等しくなるように、λ／２波長板３５とλ／４波長板３６の角度を微調整する。

ステップＳ８では、ステージ制御部３３は、試料台１２のＺ軸周りの回転角度のアライメントを行う。このアライメントによって、ウエハ２上のダイの２次元の配置方向のうち、ステップＳ２にてステージ１１のＸ方向に一致させた方向と異なる他の一方の方向が、ステージ１１のＸ方向に一致される。図９の（Ｂ）の例では、ウエハ２の上に行列状に繰り返し配置されたダイ３の反復方向のうち、横線の網掛けで示したダイ３が並ぶ方向が、ステージのＸ方向に一致される。
ステップＳ９では、ステージ制御部３３は、ステップＳ８にてウエハ２の方向を定めた状態でＸ方向にステージ１１を移動させ、Ｘ方向に沿う走査経路１１１上を撮像部１４でウエハ２を走査する。これによって図９の（Ｃ）の横線の網掛けで示したダイ３を含む帯状領域の画像を取得する。そして差分検出部２１は、取得した画像内の十字検査モード用に定められたケアエリア内にてイメージ比較を行い、欠陥検出部２２はその比較結果と閾値とを比較して欠陥を検出する。

ステップＳ１０では、欠陥選別部３９は、ステップＳ３及びＳ９において欠陥検出部２２が検出した欠陥のうち、これらのステップによって重複して外観検査が行われた領域（図９の（Ｃ）の領域３００）において、重複して検出された欠陥のうち一方を除去して、残りの欠陥に係る欠陥情報を出力する。

本発明は、半導体ウエハを撮像部で走査することにより半導体ウエハ表面の画像を取得し、ダイ毎にイメージ比較を行って半導体ウエハ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。

外観検査装置の概略構成図である。 ウエハ上に複数のダイが配置される様子を示す図である。 外観検査が行われるウエハ上の十字形状領域の例を示す図である。 Ｙ方向伸長領域の検査のための走査経路の第１例を示す図である。 Ｙ方向伸長領域の検査のための走査経路の第２例を示す図である。 Ｙ方向伸長領域の検査のための走査経路の第３例を示す図である。 本発明の実施例による外観検査装置の概略構成図である。 本発明の実施例による外観検査方法のフローチャートである。 （Ａ）〜（Ｃ）は図８に示す方法の説明図である。

符号の説明

１ 外観検査装置
２ 半導体ウエハ
３ ダイ
１３ 対物レンズ
１６ 光源
１７ レンズ
１９ 偏向ビームスプリッタ
３１ 入力部
３５ λ／２波長板
３６ λ／４波長板
３７ 回転機構

Claims (4)

1. 半導体ウエハを撮像部で走査することにより半導体ウエハ表面の画像を取得し、ダイ毎にイメージ比較を行い前記半導体ウエハの欠陥を検出する外観検査装置であって、
   前記半導体ウエハを載置するための回転可能な試料台と、
   前記半導体ウエハを少なくとも１次元方向に移動可能なステージと、を備え、
   前記試料台を９０度回転させる前後のそれぞれにおいて、前記ステージを前記一次元方向へ移動させて前記撮像部で前記半導体ウエハを走査することによって、前記半導体ウエハ上の十字形状領域の画像を取得し、この十字形状領域において前記イメージ比較を行う検査モードを有することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記撮像部で走査される前記半導体ウエハの向きに応じて、前記半導体ウエハを照明する照明光の偏光方向を調整するための偏光方向調整部を、さらに備えることを特徴とする外観検査装置。
3. 半導体ウエハを撮像装置で走査することにより半導体ウエハ表面の画像を取得し、ダイ毎にイメージ比較を行い前記半導体ウエハの欠陥を検出する外観検査方法であって、
   前記半導体ウエハを９０度回転させ、この回転の前後のそれぞれにおいて前記半導体ウエハを同じ方向へ移動させて前記撮像装置で前記半導体ウエハを走査することによって、前記半導体ウエハ上の十字形状領域の画像を取得し、この十字形状領域において前記イメージ比較を行うことを特徴とする外観検査方法。
4. 前記撮像装置で走査される前記半導体ウエハの向きに応じて、前記半導体ウエハを照明する照明光の偏光方向を調整することを特徴とする外観検査方法。

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