JP2012013632A - 表面欠陥検査装置および表面欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハ表面のＬＰＤの検出と暗視野像の検出とを並行して行うことができ、且つ、ＬＰＤの検出感度を高めた表面欠陥検査装置および表面欠陥検出方法を提供する。
【解決手段】表面検査装置は、ウェーハ１の表面に対して斜め方向からレーザー光を照射する光源１０と、照射により前記ウェーハ表面で散乱・乱反射された光を結像させる結像光学系２１と、散乱・乱反射された光の結像位置に受光面を有する面センサ２２と、面センサ２２から画像信号を取得し、この画像信号に基づきウェーハ１表面の画像を生成する画像処理部３２とを備える。照射されるレーザー光の光軸とウェーハ１との相対位置を変位させつつ、画像処理部３２は、変位に応じて一部が重複したウェーハ１上の複数領域に対応する複数の画像信号を取得して、スペックルノイズを除去した暗視野像を合成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー光を用いてウェーハ表面の欠陥（ＬＰＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔｓ）を輝点として検出する表面欠陥検査装置および表面欠陥検出方法に関するものである。

従来、シリコンウェーハ等のウェーハに存在する欠陥やウェーハ上に付着しているパーティクルを検出してウェーハの品質を精密に評価する方法として、ウェーハの表面に対してレーザー光を照射し、その際のレーザー光の散乱強度をレーザー光散乱式の表面検査装置を用いて検出し、この検出した散乱強度の値を用いて欠陥やパーティクルをＬＰＤとして検出する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来技術による表面検査装置の概略構成の一例を示す図である。この装置では、ウェーハ１０１をステージ１０２上に載置し、レーザー光源１０３によりウェーハ上の点を照射する。また、ステージ１０２は回転および一軸方向への並進移動可能に構成されており、レーザー光の照射位置をウェーハ上で、例えば渦巻状の軌跡を描くように走査させる。このレーザー光の走査中に、ウェーハ上のレーザー光照射位置に散乱体が有る場合、散乱体により散乱された散乱光を集光レンズ１０４により集光して、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の光検出素子１０５により検出する。

図５は、従来技術による表面欠陥検査装置の光検出素子１０５の出力波形を示す図である。この図において横軸は走査位置を示し、縦軸は光検出素子の出力信号を示す。図５に示すように、中央の鋭いピークで示されるＬＰＤに対応した信号の他、スペックルに起因するバックグランドノイズであるＨａｚｅ（ヘイズ）が検出される。スペックルとは、レーザー光のようにコヒーレンスの高い光を、ウェーハのように微小な粗さを有する表面に照射した場合に現れる粒状模様である（例えば、非特許文献１参照）。ＬＰＤの検出は、この光検出素子の出力を所定の閾値と比較して、これを超えた場合にウェーハ上にＬＰＤが存在するものと識別することにより行う。さらに、従来の表面欠陥装置では、図６に示すように、ＬＰＤを検出した走査位置に基づいて、ウェーハ上のＬＰＤの分布を示すＬＰＤマップを生成することができる。

しかし、上述の従来技術による表面欠陥検査装置では、実際には走査経路上の各点での輝点の有無を検出するのみであり、検出された輝点の周辺の画像を面的に観察するためには、別途走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や光学顕微鏡等を用いるなどして観察を行っていた。したがって、ＬＰＤの検出と並行してＬＰＤの周辺画像を得ることはできなかった。輝点の周辺画像は、輝点がＬＰＤによるものか判断するためや、ＬＰＤの大きさや形状を識別するために使用される。

また、ＬＰＤを検出するためには、閾値を設定することが必要だが、ＬＰＤによる信号に対してノイズのレベルが高くなると、閾値の設定により信号とノイズとを分離することが困難になり、ノイズを擬似欠陥として検出してしまう。さらに、近年より小サイズのＬＰＤを検出する装置の開発が進められているが、ＬＰＤからの散乱光強度は、ＬＰＤのサイズの６乗に比例することが知られているので、現在開発途上にある３０ｎｍ以下のＬＰＤを検出する装置と比べ、近い将来開発が行われるであろう２０ｎｍ以下のＬＰＤの検出を行う装置では、強度が１桁低い画像信号を検出できなければならない。このため、スペックル等のノイズを除去する技術的なブレークスルーが必要となっている。

米国特許出願公開第２００４／００８０７４１号明細書

「レーザーハンドブック（第２版）」、レーザー学会、平成１７年４月２５日

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、ウェーハ表面のＬＰＤの検出と暗視野像の取得とを並行して行うことができ、且つ、ＬＰＤの検出感度を高めた表面欠陥検査装置および表面欠陥検出方法を提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の表面欠陥検査装置は、ウェーハの表面に対して斜め方向からレーザー光を照射する光源と、この照射によりウェーハ表面で散乱・乱反射された光を結像させる結像光学系と、散乱・乱反射された光の結像位置に受光面を有する面センサと、面センサから画像信号を取得し、この画像信号に基づきウェーハ表面の画像を生成する画像処理部とを備え、前記照射されるレーザー光の光軸とウェーハとの相対位置を変位させつつ、画像処理部は、その変位に応じて一部が重複したウェーハ上の複数領域に対応する複数の画像信号を取得して、スペックルノイズを除去した暗視野像を合成するように構成している。

面センサにより取得されるスペックルは、レーザー光の光軸とウェーハの相対位置の変位により、ウェーハ上の表面の位置とは無関係にランダムに分布し、ＬＰＤはウェーハ上の所定の位置に固定して存在するので、複数の画像を取得してその重複する領域を合成することにより、ＬＰＤをノイズから分離することが可能になる。

さらに、照射されるレーザー光の光軸とウェーハとの相対位置を変位させるためには、ウェーハを載置面方向に変位可能に載置するステージを備えることが好ましい。レーザー光源と検出部とを同時に変位させるよりも、ステージを変位させる方が装置構成が単純であり、光学系の調整が容易である。

また、画像処理部は、複数の画像信号のウェーハ上の同一位置に対応する各ピクセル値の積をとり、暗視野像を合成することが好ましい。ピクセル値の積をとることによって、ウェーハ上にランダムに存在するスペックルノイズを効果的に除去することができる。

さらに、画像処理部は、スペックルノイズを除去した暗視野像に基づき、各点のピクセル値を所定の閾値と比較してＬＰＤを検出する。スペックルノイズを除去した暗視野像を用いることにより、擬似欠陥の発生を抑制することができる。

また、上記目的を達成するために本発明の表面欠陥検出方法は、ウェーハ表面に対して斜め方向からレーザー光を照射して、ウェーハ表面で散乱・乱反射された光を、面センサの受光面に結像させてウェーハ表面の第１の領域に対応する第１の画像信号を得るステップと、ウェーハのレーザー光を照射する領域を移動させ、ウェーハ表面の第１の領域と少なくとも一部が重複する第２の領域に対応する第２の画像信号を得るステップと、第１の画像信号と第２の画像信号とを合成し、暗視野像を生成するステップとを有する。

さらに、第１の画像信号と第２の画像信号との合成は、ウェーハ上の同一位置に対応する各ピクセル値の積をとることにより行うことが最も簡便であり、好ましい。

また、合成した暗視野像に基づいて、ＬＰＤを検出することが好ましい。

本発明によれば、散乱・乱反射された光の結像位置に受光面を有する面センサを備え、且つ、照射されるレーザー光の光軸とウェーハとの相対位置を変位させ、画像処理部により変位に応じて一部が重複したウェーハ上の複数領域に対応する複数の画像信号を取得して、暗視野像を合成するように構成したので、ウェーハ表面のＬＰＤの検出と暗視野像の取得とを並行して行うことができ、且つ、ＬＰＤの検出感度を高めることができる。

本発明に係る表面欠陥検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１の表面欠陥検査装置を用いて、ステージを移動しながら撮影したウェーハ表面の暗視野像である。 図２の暗視野像を用いて合成した、スペックルを除去した暗視野像である。 従来技術による表面欠陥検査装置の一例を示す概略構成図である。 従来技術による表面欠陥検査装置の光検出素子の出力波形を示す図である。 従来技術による表面欠陥検査装置により出力されるＬＰＤマップの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に従う表面検査装置の一実施形態を示す概略構成図である。この表面検査装置は、ウェーハ１を載置するステージ５、レーザー光源１０、検出部２０、ステージ制御部３１、画像処理部３２、記憶部３３、制御部３４および入出力部３５を備えている。

ステージ５は、ステージ制御部３１からの制御信号に基づき、ウェーハ１の載置面５ａに沿う直交する２軸方向に変位する駆動機構を備える。これによって、後述するレーザー光源１０によりレーザー光が照射されるウェーハ上の領域を変位させることができる。なお、ステージの変位は、ステージの中心軸を中心とする回転および一軸方向への並進移動であっても良い。

レーザー光源１０は、連続発振するレーザー（ＣＷレーザー）であり、半導体レーザー、アルゴンレーザー、ＹＡＧレーザー（２倍・３倍高調波）等様々な種類、波長のレーザーを使用することができる。また、レーザー光源１０は、レーザー光をウェーハ１の表面の所定の領域にウェーハ表面に対して斜め方向から照射するように配置される。なお、レーザー光源１０に使用されるレーザーのウェーハ表面におけるビーム径は、典型的には数十μｍ〜数ｃｍ程度であり、検出すべきスペックルの典型的大きさ（数μｍ以上）と比較して大きい。

検出部２０は、結像光学系を構成する対物レンズ２１と、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサ等の面センサ２２とを備える。対物レンズ２１は収差を十分抑えられる範囲で大口径のレンズを用いる。対物レンズ２１の光軸は、ステージ５のウェーハ載置面５ａに対し略垂直であり、ウェーハ１を載置した状態で、検出部２０はウェーハ１のレーザー光が照射される領域の略鉛直上方に位置する。レーザー光源１０と検出部２０とは、ウェーハ１の表面で正反射されたレーザー光が対物レンズ２１に入射しないように配置される。

また、対物レンズ２１と面センサ２２とは、ウェーハ表面で散乱・乱反射されたレーザー光が、対物レンズ２１により面センサ２２の受光面上に結像するように配置される。ここで、ステージ５を変位させたときウェーハ１の表面が上下する場合は、検出部２０を上下方向に駆動する駆動機構を設け、あらかじめ各位置における上下方向のずれを入力しておき、ステージ５の変位に応じて検出部２０を上下させること等により補正する。

なお、本装置により表面欠陥の検出を行う際には、対物レンズ２１と面センサ２２との相対位置関係は固定されており、また、これら対物レンズ２１および面センサ２２とレーザー光源１０との位置関係も固定される。一方、ステージ５のウェーハ載置面５ａは、これらレーザー光源１０、対物レンズ２１および面センサ２２に対して相対位置が変位する。

画像処理部３２は、面センサ２２により出力される画像信号を取得して、この画像信号に基づいて画像処理を行う。画像処理部３２は、ウェーハ表面の一つの領域に対応した１つの画像信号に基づく画像（暗視野像）の生成、ウェーハ表面の複数の領域に対応する複数の画像信号を合成しての画像（暗視野像）の生成、生成した画像信号に基づくＬＰＤの検出処理等を行う。

特に、ウェーハ表面のある領域（第１の領域）に対応する第１の画像信号と、この領域と少なくとも一部が重複する他の領域（第２の領域）に対応する第２の画像信号とを合成して画像生成をする場合には、ウェーハ上の同一位置に対応するそれぞれの画像信号の各ピクセル値の積をとることにより、スペックルノイズを除去してＬＰＤが明瞭に表示された暗視野像を得ることができる。ウェーハ表面上にランダムな位置に観察されるスペックルは各暗視野像毎に位置が異なっており、ウェーハ上に実在するＬＰＤは各暗視野像においてウェーハ上の同じ位置にある。したがって、このように暗視野像の輝度に対応する画像信号の積を算出した場合、スペックルに起因する輝点の輝度が弱くなり、ＬＰＤに起因する輝点の輝度だけが強いまま残るので、スペックルのみを除去した暗視野像を得ることができる。

なお、少なくとも一部が重複する２つの領域に対応する２つの画像信号のみならず、重複した領域を有する３つ以上の領域に対応する３つ以上の画像信号を合成して、暗視野画像を生成しても良い。また、合成の方法は、同一の位置に対応するピクセル値の積をとることに限られず、ランダムな位置に発生するスペックルを除去、低減するために、同一位置に対応するピクセル値の和をとること等の画像処理を施すことも可能である。

また、画像処理部３２には、上述のように生成された画像を記憶する記憶部３３が接続されている。

制御部３４は、画像処理部３２およびステージ制御部３４と接続されるとともに、入出力部３５と接続され、表面欠陥検査装置全体を制御する。この制御部３４は、入出力部３５を介して検査条件を設定した検査レシピの入力を受ける。検査レシピには、本表面欠陥検査装置の使用者により、検査するウェーハの枚数、ウェーハ表面の走査速度、結像光学系のレンズの倍率、ＬＰＤの検出条件等の検査条件のパラメータが設定される。制御部３４は、ステージ制御部３１を介してステージ５の変位を制御するとともに、これと同期させて、画像処理部３２に対して面センサ２２からの画像信号の取得を指示することができる。また、制御部３４は、図示しない搬送ロボットに接続されており、図示しないウェーハカセットとステージ５との間のウェーハの搬送も制御する。

さらに、制御部３４は画像処理部３２により検出されたスペックルおよびそれらのウェーハ１上の位置情報を取得して、ウェーハ上でのＬＰＤの分布状況を示すＬＰＤマップを生成して、入出力部３５の一部を構成するモニタ上に表示する。なお、ＬＰＤマップの生成は、画像処理部で行うようにしても良い。

上述のステージ制御部３１、画像処理部３２および制御部３４は、それぞれ別のハードウェアにより実現しても良く、あるいは、これらのうち２つまたは全てを同一のハードウェアを用いて実現しても良い。例えば、ステージ制御部３１、画像処理部３２および制御部３４を全て高性能ＰＣ上に実現しても良い。

以上のような構成によって、使用者により入出力部３５を介して制御部３４に検査レシピのパラメータが設定され、検査開始が指示されると、制御部３４はまず、図示しない搬送ロボットに指示して図示しないウェーハカセットから検査対象のウェーハ１をステージ５のウェーハ載置面５ａ上に搬送するとともに、レーザー光源１０のレーザー光の照射および面センサによる輝度信号の検出が開始される。

次に、制御部３４はステージ制御部３１を介してステージ５をウェーハ載置面に沿う２次元方向に順次変位させ、これによって、レーザー光源１０によりレーザー光が照射される領域をウェーハ１上で走査する。このレーザー照射領域の変位と同期して、画像処理部３２は面センサ２２からの画像信号を順次取得する。取得された画像信号は、画像処理部３２により処理され暗視野像として記憶部３３に格納される。

ここで、画像処理部により順次取得される画像信号に対応するウェーハ１上の領域が一部重複を有するように、ステージ５の変位量が制御される。画像処理部３２は、一部重複したウェーハ上の複数領域に対応する複数の画像信号から、スペックルノイズを除去した暗視野像を合成する。暗視野像の合成は、ウェーハ１の同一位置に対応する画素を重ね合わせ、各同一位置に対応するピクセル値どうしを掛け合わせる等の演算をすることにより行う。さらに、合成した暗視野像に基づき、各ピクセルの画素値を所定の閾値と比較する等してＬＰＤを検出する。

ウェーハ１のレーザー１０による走査が終了すると、制御部３４は、画像処理部３２からＬＰＤの位置および大きさ等の情報を受け取り、ＬＰＤマップを生成する。このＬＰＤマップは制御部３４の図示しない他の記憶部に格納される。１枚のウェーハ１の検査が終了すると、制御部３４は、図示しない搬送ロボットによりウェーハを交換させ、以降検査レシピに従って上述と同様の手順に従って検査を続ける。

以上説明したように、本実施の形態によれば、ウェーハ表面で散乱・乱反射された光の検出に面センサを使用したので、ウェーハ表面のＬＰＤの検出と暗視野像の取得とを並行して行うことができ、且つ、ステージを移動させることによりレーザー光のウェーハ上の照射位置を変位させ、画像処理部により変位に応じて一部が重複したウェーハ上の複数領域に対応する複数の画像信号を取得して、暗視野像を合成するように構成したので、ＬＰＤの検出感度を高めることができる。

さらに、本実施の形態によれば、面センサにより得られた複数の画像信号を合成することにより、画像信号の閾値を設定しなくとも、ＬＰＤの表示された暗視野像を取得することができる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

図２は、図１の表面欠陥検査装置を用いて、ステージを移動しながら撮影したウェーハ表面の暗視野像である。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ステージを横方向に並進移動させつつ、この順序で順次撮像を行っている。図２（ａ）に示す暗視野像から図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す暗視野像の順で右から左へ移動している大きな輝点がＬＰＤである。ステージの移動に伴い、ウェーハ１上の固定位置に位置するＬＰＤが、面センサ２２の検出視野内を移動しているように観察される。また、ＬＰＤ以外に表示されている細かい輝点はスペックルである。スペックルは、ステージ５の移動に伴い強度が変化し、暗視野像中にあたかもランダムに分布しているように観察される。

次に、複数画像の合成について説明する。図３は、図２の暗視野像を複数用いて得た、スペックルを除去した暗視野像である。図３（ａ）は、図２（ａ）および（ｂ）から合成された暗視野像であり、図３（ｂ）は図２（ａ），（ｂ）および（ｃ）から合成された暗視野像である。画像処理部３２は、ステージ５の移動距離に対応する距離分だけ暗視野像を反対方向に並行移動させ、ウェーハ１の同一位置に対応するピクセルを重ねあわせ、同一位置のピクセル値の積をとって画像を合成する。

図３（ａ）および（ｂ）より、複数の暗視野像に対応する画像信号を合成して暗視野像を得ることにより、スペックルを除去してＳ／Ｎ比を大幅に向上することができることがわかる。また、合成する暗視野像を２枚より３枚とした方が、よりノイズの除去を確実にすることができる。さらに、合成された暗視野像の画素信号から、ウェーハ１表面のＬＰＤを高感度に検出することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみに限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、ウェーハ上のレーザー光を照射する領域を変位させるために、ステージを変位させたが、ステージは固定してレーザー光源および検出部を変位させても良い。

また、レーザー光源として一つのレーザーを用いたがこれに限られない。対物レンズ２１にレーザーのウェーハ表面による正反射光が入射しないようにしつつ、複数のレーザー光をウェーハ表面に対して異なる方向から斜め照射しても良い。さらに、レーザー光源の波長も必ずしも単一なものにする必要はない。

画像処理部が面センサより取得した暗視野像の画像信号の合成方法としては、種々の方法が可能である。実施例のように２枚または３枚の画像信号を一組として合成しても良いし、重複した領域を有するこれより多くの画像を合成しても良い。また、面センサで撮影されるウェーハ上の領域を順次の撮影で半分が重複するようにずらしつつ、ウェーハ全面の走査と並行して画像を合成しても良い。あるいは、面センサで取得した画像信号をウェーハの走査を行う間記憶部に順次格納し、ウェーハ全面の走査が終了した後に、画像処理部で複数画像の合成を一括して行うようにしても良い。

本発明によれば、ウェーハ表面のＬＰＤの検出と暗視野像の取得とを並行して行うことができ、且つ、ＬＰＤの検出感度を高めることができる。

１ ウェーハ
５ ステージ
５ａ ウェーハ載置面
１０ レーザー光源
２０ 検出部
２１ 対物レンズ
２２ 面センサ
３１ ステージ制御部
３２ 画像処理部
３３ 記憶部
３４ 制御部
３５ 入出力部

Claims (7)

1. ウェーハの表面に対して斜め方向からレーザー光を照射する光源と、
   前記照射により前記ウェーハ表面で散乱・乱反射された光を結像させる結像光学系と、
   前記散乱・乱反射された光の結像位置に受光面を有する面センサと、
   前記面センサから画像信号を取得し、該画像信号に基づきウェーハ表面の画像を生成する画像処理部とを備え、
   前記レーザー光の光軸と前記ウェーハとの相対位置を変位させるとともに、前記画像処理部は、前記変位に応じて一部が重複したウェーハ上の複数領域に対応する複数の前記画像信号を取得して、スペックルノイズを除去した暗視野像を合成するように構成したことを特徴とする表面欠陥検査装置。
2. 前記ウェーハを載置面方向に変位可能に載置するステージを備えることを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記画像処理部は、前記複数の画像信号のウェーハ上の同一位置に対応する各ピクセル値の積をとり、前記暗視野像を合成することを特徴とする請求項１または２に記載の表面欠陥検査装置。
4. 前記画像処理部は、前記スペックルノイズを除去した暗視野像に基づき、ＬＰＤを検出することを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の表面欠陥検査装置。
5. ウェーハ表面に対して斜め方向からレーザー光を照射して、前記ウェーハ表面で散乱・乱反射された光を、面センサの受光面に結像させて前記ウェーハ表面の第１の領域に対応する第１の画像信号を得るステップと、
   前記ウェーハの前記レーザー光を照射する領域を移動させ、前記ウェーハ表面の前記第１の領域と少なくとも一部が重複する第２の領域に対応する第２の画像信号を得るステップと、
   前記第１の画像信号と前記第２の画像信号とを合成して、暗視野像を生成するステップと
   を有するウェーハ表面の欠陥検出方法。
6. 前記第１の画像信号と前記第２の画像信号との合成は、ウェーハ上の同一位置に対応する各ピクセル値の積をとることにより行うことを特徴とする請求項５に記載のウェーハ表面の欠陥検出方法。
7. 前記暗視野像に基づき、ＬＰＤを検出するステップを有する請求項５または６に記載の欠陥検出方法。

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