JP2014102208A - 外観検査装置、および外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】試料表面の三次元構造の欠陥を容易かつ詳細に検出する。
【解決手段】試料Ｓを照明して取得した画像データから試料Ｓの外観を検査し欠陥を検知する外観検査装置１００である。試料Ｓを配置する試料台１１０と、試料Ｓを観察する顕微鏡１２と、第１の光源１３１を備え照明光を試料Ｓに照明光を顕微鏡１２０の観察方向から照射する第１の照明装置１３０と、第２の光源１５１を備え照明光を試料Ｓに斜め方向から照射する第２の照明装置１５０を、前記照明装置で照明された試料Ｓの顕微鏡１２０による画像を撮像してカラー画像データを出力するカラーカメラ１４０と、カラー画像データに基づいて試料Ｓの外観を検査する処理装置１６０と、を備える。第１の照明装置１３０、第２の照明装置１５０は、異なる波長領域の照明光を試料Ｓに照射する第１の波長選択機構１３２および第２の波長選択機構１５２を備え、異なる角度から試料Ｓを照明する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハー等を撮像素子で撮影して外観を検査する外観検査装置および外観検査方法に関する。

従来、半導体ウエハー等、試料の外観を検査して、その表面に形成された回路等の欠陥を検知する外観検査が行われている。

特許文献１は、互いに補色の関係にある３つのスポット光を、互いに１２０度の角度をなす３方向から、被検査面に対し斜方向でかつ互いに異なる垂直面より、被照明面上で互いに重なるよう照明し、上記被検査面上の立体物の、上記３つのスポット光による影が連結して生じるようにし、上記影のＸＹ座標の連結度を調べて欠陥か雑音かの判定を行うことを特徴とする外観検査方法を開示する。そして、このような外観検査装置では、検査の精度を向上させるため、さまざまな工夫がなされている。

また、特許文献２は、可干渉光を照射する光源を備えたマクロ検査用照明装置と、そのマクロ検査用照明装置から可干渉光が所定の角度で照射される所定のパターンの微細被加工面が形成された基板を支持する支持手段と、微細被加工面からの回折光により、基板上に形成されたパターンが所定のパターンから変形しているか否かを判定する判定手段とを含むマクロ検査装置において、そのマクロ検査用照明装置を、補色の関係にある２色の可干渉光を含む光を照射する装置で構成したものを開示する。

特許第２９１４９６７号公報参照 特開２００１−１４１６５７公報参照

しかし、従来の外観検査装置では、試料の外観についての詳細な状態、例えば凹部と凸部の区別、段差の判別等を容易には認識できないという問題がある。

本発明は上述した課題にかんがみてなされたものであり、試料表面の三次元構造の欠陥を容易かつ詳細に検出することができる外観検査装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決する請求項１に記載の発明は、試料を配置する試料台と、光源を備え照明光を前記試料に照射する照明装置と、前記照明装置で照明された前記試料を撮像してカラー画像データを出力する撮像手段と、前記カラー画像データに基づいて前記試料の外観を検査する検査処理部と、を備える外観検査装置において、前記照明装置は複数台が配置され、各照明装置は異なる波長領域の照明光を前記試料に異なる角度で照射することを特徴とする外観検査装置である。

同じく請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の外観検査装置において、前記照明装置は、それぞれ異なる波長領域の光を透過する複数枚の透過フィルター、および前記複数枚の透過フィルターから選択した透過フィルターを、前記光源から前記試料までの光路中に配置するフィルター選択装置を具備する波長選択機構を備える、ことを特徴とする。

同じく請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の外観検査装置において、前記照明装置は、それぞれ異なる波長領域の光を発生する複数の光源と、前記試料を照明する光源を選択する光源選択手段とを備えることを特徴とする。

同じく請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の外観検査装置において、前記照明装置は、光の波長領域を変更させる波長領域変更手段とを備え、さらに照明装置で照射される光の波長領域が可変であることを特徴とする。

同じく請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の外観検査装置において、前記照明装置は、少なくとも１つの前記照明装置を前記撮像手段の撮像方向と同じ方向から照明光を前記試料に照射するものであり、他の前記照明装置を前記撮像手段の撮像方向とは異なる方向から照明光を前記試料に照射するものとしたことを特徴とする。

同じく請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の外観検査装置において、前記撮像手段の撮像方向とは異なる方向から照明光を前記試料に照射する前記照明装置は、前記試料の観察領域の上方に配置されたリング状の照明光射出部を備えることを特徴とする。

同じく請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の外観検査装置において、前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データを、前記試料の基準となるカラー画像データと比較して外観検査を行うことを特徴とする。

同じく請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の外観検査装置において、前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データを、前記試料の繰り返しパターン同士を比較する自己相関検査によって外観検査を行うことを特徴とする。

同じく請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の外観検査装置において、前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データの特定波長領域を強調する強調処理、前記特定波長領域を抽出する抽出処理を含む画像処理を行う画像処理手段を備えることを特徴とする。

同じく請求項１０に記載の発明は、検査対象である試料に定めた異なる波長領域の複数の照明光を異なる角度で照射し、複数の照明光が照射された前記試料を撮像手段でカラー画像データを取得し、前記カラー画像データに基づいて前記試料の外観を検査することを特徴とする外観検査方法である。

同じく請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の外観検査方法において、撮像した前記試料の前記カラー画像データの特定波長領域を強調する強調処理を施すことを特徴とする。

本発明によれば、複数の照明装置であらかじめ定めた異なる波長領域の照明光を異なる角度で照射するので、取得された画像データには試料の表面状態に応じた色が現れ、試料表面の詳細な立体構造を容易に判別できる。

本発明に係る外観検査装置、および外観検査方法の原理を説明する模式図である。 本発明に係る外観検査装置、および外観検査方法の原理を説明する模式図である。 本発明の実施形態に係る外観検査装置の概略構成を示す模式図である。 同外観検査装置の構成を示すブロック図である。 同外観検査装置の動作を示すフローチャートである。 撮像装置で取得した画像データおよび強調処理した画像データを示す模式図である。 撮像装置で取得した画像データおよび強調処理した画像データを示す模式図である。

まず、本発明の原理について説明する。本発明に係る外観検査装置では、検査対象である試料に異なる波長領域の複数の照明光を異なる角度で照射し、複数の照明光が照射された前記試料を撮像手段でカラー画像データを取得し、前記カラー画像データに基づいて試料の外観を検査する。

図１及び図２は本発明に係る外観検査装置、および外観検査方法の原理を説明する模式図である。ここで、図１は図２のＡ−Ｂ線に相当する断面図である。図１に示すように、試料１０には、凸部の斜面１１、凹部である傷１２、凸部の斜面１３、突起１４、および凹部１５があるものとする。本発明では、複数、例えば４台の照明装置から異なる波長領域（色）の光を、異なる入射角度で試料１０に照射する。図１に示した例では、「青」の光を低入射角で、「赤」の光を中入射角で、「黄」の光を高入射角で、更に「緑」の光を裏面から試料１０に照射する。

このような状態で、試料１０を撮像装置２０で撮影すると、斜面１１、傷１２、斜面１３、突起１４、および凹部１５が各色の光で照明された画像を得ることができる。すなわち、図２に示すように、試料１０の一般部は、「黄」、斜面１１は「赤」、斜面１１に囲まれた平面は「黄」、傷１２は「青」、斜面１３は「赤」、突起１４は「青」、凹部１５は「緑」で照明され、色づけされて表示される。この撮影で得られた画像データに基づいて試料の表面状態を検査することができる。

＜実施形態＞
以下、実施形態に係る外観検査装置について説明する。図３は本発明の実施形態に係る外観検査装置の概略構成を示す模式図、図４は同外観検査装置の構成を示すブロック図、図５は同外観検査装置の動作を示すフローチャートである。実施形態に係る外観検査装置１００は、２台の照明装置を備え、第１の照明装置１３０試料Ｓの観察方向から、第２の照明装置１５０でこの観察方向から所定の角度をなした斜め方向から、異なる波長領域の照明光を照射し、試料Ｓをカラーカメラ１４０で撮影する。

まず、外観検査装置１００の構成について説明する。実施形態に係る外観検査装置１００は、試料を配置する試料台１１０と、この試料台１１０の上方に配置した顕微鏡１２０と、この顕微鏡１２０の光軸に沿って第１の照明光を試料Ｓに照射する第１の照明装置１３０と、撮像手段であるカラーカメラ１４０と、試料台１１０と第１の照明装置１３０との間に配置した第２の照明装置１５０と、各装置の制御およびカラーカメラ１４０が取得した画像データを解析するコンピュータで構成される検査処理部である処理装置１６０と、を備える。

試料台１１０は、試料Ｓを載せて、処理装置１６０の制御に基づいて試料Ｓを水平の直交方向（Ｘ、Ｙ）、鉛直方向（Ｚ）および回転方向（θ）に移動させる。ねじ機構、圧電素子を使用した移動機構等を使用することができる。顕微鏡１２０は、光学系を備え、試料Ｓの画像をカラーカメラ１４０の撮像面に結像する。また、顕微鏡１２０は、第１の照明装置１３０からの照明光を光軸方向に反射するハーフミラー１２１を備える。これにより、第１の照明装置１３０からの光はカラーカメラ１４０の撮像方向から照射される。上記顕微鏡１２０の画像は拡大像でもよいし、等倍像でもよい。

第１の照明装置１３０は、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の第１の光源１３１と、第１の波長選択機構１３２とから構成される。第１の波長選択機構１３２は、各種の透過波長領域のフィルター（色フィルター）を円周上に配置した円板部材１３３と、この円板部材１３３を処理装置１６０の制御で回転させるフィルター選択装置である回転駆動機構１３４とから構成される。この例では、円板部材１３３には、異なる波長領域の光を透過させる複数枚、例えば７枚の透過フィルターである色フィルターと、第１の光源１３１からの光をそのまま通過させる透過孔とが、円周上に配置されている。回転駆動機構１３４で円板部材１３３を回転させて、所定の位置で停止させることにより、所望の周波数領域の光を試料Ｓに光軸に沿って照射できる。

カラーカメラ１４０は、ＣＣＤ撮像素子、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）撮像素子などの撮像素子を備えており、試料Ｓの画像データを出力する。

第２の照明装置１５０は、第１の照明装置１３０と同様に、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の第２の光源１５１と、円板部材１５３および回転駆動機構１５４からなる第２の波長選択機構１５２とを備える他、試料Ｓの撮像領域に光軸に所定角度を備えた斜め方向から照明光を照射するリング状の照明光射出部であるリング照明手段１５６と、このリング照明手段１５６に第２の波長選択機構１５２からの光を導く導光手段１５５とを備える。

リング照明手段１５６は円環状の透明素材からなり、その内側側面を試料Ｓ方向に指向させた部材であり、リング照明手段１５６からの光を試料Ｓの観察領域に向けて、リング状の光を斜め方向から照射する。なお、このリング照明手段１５６は、必要に応じて試料Ｓからの距離を変更させることができる（図３中矢印Ｃ）。これにより、試料Ｓへのリング照明手段１５６からの照明光の照射角を変更することができ、さまざまな状態に対応できる。

なお、第１の照明装置１３０および第２の照明装置１５０に使用する光源は、光源として他の光源を使用することができる。色フィルターの数は７に限らない。また、第１の照明装置１３０および第２の照明装置１５０として、異なる波長領域の光を発生する複数の光源と、試料を照明する光源を選択する光源選択手段とから構成することができる。また、照明装置としては、光の波長領域を変更させる波長領域変更手段を備え、前記照明装置で照射される光の波長領域が可変である照明装置とから構成することができる。

処理装置１６０は、処理装置本体１６１と、入力装置１６２と、画像表示装置１６３等から構成される。処理装置本体１６１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等を備えるコンピュータである。処理装置本体１６１では、ＣＰＵでＲＯＭ、ＨＤＤ等に格納されたアプリケーションソフトのプログラムを実行して、外観検査装置１００の各部の制御および、カラーカメラ１４０が取得した画像データの処理を行って、外観検査を実行する。入力装置１６２は、キーボード、マウス等を備え、オペレータが処理装置１６０への指示を入力する。画像表示装置１６３は、液晶ディスプレイ、CRT等で構成され、カラーカメラ１４０からの画像データ、画像処理を施した画像、検査結果等を表示する。なお、画像表示装置１６３に入力装置１６２であるタッチパネルを配置することができる。

このような外観検査装置１００は、次のように試料の外観を検査する。図５は同外観検査装置の動作を示すフローチャートである。試料の外観検査を実行するには、まず、第１の照明装置１３０および第２の照明装置１５０が発生する照明光の波長領域を選択する（ステップＳ１、ステップＳ２）。この選択は、処理装置１６０の入力装置１６２から行う。処理装置１６０からの指定により、第１の波長選択機構１３２の回転駆動機構１３４が円板部材１３３を回転させ、第１の光源１３１からの光が所定の色フィルターまたは透過孔を通過するようにする。第２の照明装置１５０においても同様に、回転駆動機構１５４が円板部材１５３を回転させ、第２の光源１５１からの光が所定の色フィルターまたは透過孔を通過するようにする。

ついで、処理装置１６０で試料台１１０を制御して試料Ｓを観察位置に移動する（ステップＳ３）。この移動は処理装置１６０にあらかじめ設定した情報に基づいて行うことができる他、入力装置１６２からオペレータが指定することができる。

ついで、カラーカメラ１４０で観察領域を撮像してカラー画像データを取得する（ステップＳ４）。

そして、処理装置１６０で取得した画像データを画像処理し、画像から欠陥を検出する（ステップＳ６）。この欠陥の検出は、良品である試料から取得しておいた基準となる画像データと、取得した画像データと、を比較することにより行うことができる。また、繰り返しパターンやノンパターン面を検査する場合には、自己相関検査によることができる。自己相関検査は、繰り返しパターンの場合、試料の撮像データ中の繰り返しパターン同士を1ピッチ(またはｎピッチ)ずらして比較することで行う。さらに、欠陥検出のための画像データの比較に先立って、撮像したカラー画像データの特定波長領域を強調する強調処理、前記特定波長領域を抽出する抽出処理を含む画像処理を行うことができる。

次に検査結果の実例について説明する。図６、図７は撮像装置で取得した画像データおよび強調処理した画像データを示す模式図である。なお、図６（ｄ）は図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中のＡ−Ｂ線の断面に相当する模式図であり、図７（ｄ）は図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中のＡ−Ｂ線の断面に相当する模式図である。これら例は表面から飛び出した突起状の欠陥を検出するものである。第１の例では、試料Ｓには、図６（ｄ）に示すように、欠陥として試料Ｓの表面から飛び出した斜面が発生している。この試料を白色光だけで照明しても、欠陥である斜面が観察しにくい（図６（ａ））。これを実施形態に係る外観検査装置１００を使用して、第１の照明装置１３０から白色光を、第２の照明装置１５０から「青」の光を照射してカラーカメラ１４０で撮像すると、斜面を判別できる画像データを得ることができる（図６（ｂ））。さらに、データから「青」を抽出し強調する画像処理を施すと、この段差がより鮮明に浮き上がってくる（図６（ｃ））

第２の例では、試料Ｓには、図７（ｄ）に示すように、欠陥として、試料Ｓの表面から飛び出した凹凸が発生している。この試料を白色光だけで照明しても、欠陥である凹凸が観察しにくい（図７（ａ））。これを実施形態に係る外観検査装置１００を使用して、第１の照明装置１３０から白色光を、第２の照明装置１５０から「青」の光を照射してカラーカメラ１４０で撮像すると、凹凸を判別できる画像データを得ることができる（図７（ｂ））。青色の光で欠陥の凹凸部（斜面)が青く光る（図７（ｂ））。さらに、データから「青」を抽出し強調する画像処理を施すと、この凹凸がより鮮明に浮き上がってくる（図７（ｃ））

以上のように実施形態に係る外観検査装置によれば、表面の凹凸、傷などに起因する表面欠陥の他、さまざまな欠陥を容易に検出することができる。

なお、前記実施形態では、照明光として白色光及び「青」の光を照射する場合を説明したが、照明光は必要に応じて他の波長領域（色）に変更することができる。また、照明装置を２台配置するようにしたが、照明装置は必要に応じて３台以上配置することができる。

１０：基板
１１：斜面
１２：傷
１３：斜面
１４：突起
２０：撮像装置
１００：外観検査装置
１１０：試料台
１２０：顕微鏡
１２１：ハーフミラー
１３０：第１の照明装置
１３１：第１の光源
１３２：第１の波長選択機構
１３３：円板部材
１３４：回転駆動機構
１４０：カラーカメラ
１５０：第２の照明装置
１５１：第２の光源
１５２：第２の波長選択機構
１５３：円板部材
１５４：回転駆動機構
１５５：導光手段
１５６：リング照明手段
１６０：処理装置
１６１：処理装置本体
１６２：入力装置
１６３：画像表示装置
Ｓ：試料

Claims (11)

1. 試料を配置する試料台と、光源を備え照明光を前記試料に照射する照明装置と、前記照明装置で照明された前記試料を撮像してカラー画像データを出力する撮像手段と、前記カラー画像データに基づいて前記試料の外観を検査する検査処理部と、を備える外観検査装置において、
   前記照明装置は異なる波長領域の照明光を前記試料に異なる角度で照射することを特徴とする外観検査装置。
2. 前記照明装置は、異なる波長領域の光を透過する複数枚の透過フィルター、および前記複数枚の透過フィルターから選択した透過フィルターを、前記光源から前記試料までの光路中に配置するフィルター選択装置を具備する波長選択機構を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
3. 前記照明装置は、それぞれ異なる波長領域の光を発生する複数の光源と、前記試料を照明する光源を選択する光源選択手段とを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. 前記照明装置は、光の波長領域を変更させる波長領域変更手段を備え、さらに前記照明装置で照射される光の波長領域が可変であることを特徴とする請求項１に記載の外観検査装置。
5. 前記照明装置は、前記試料に照射される照射角がそれぞれ異なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の外観検査装置。
6. 前記撮像手段の撮像方向とは異なる方向から照明光を前記試料に照射する前記照明装置は、前記試料の観察領域の上方に配置されたリング状の照明光射出部を備えることを特徴とする請求項５に記載の外観検査装置。
7. 前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データを、前記試料の基準となるカラー画像データと比較して外観検査を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の外観検査装置。
8. 前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データを、前記試料の繰り返しパターン同士を比較する自己相関検査によって外観検査を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の外観検査装置。
9. 前記検査処理部は、撮像した前記試料の前記カラー画像データの特定波長領域を強調する強調処理、前記特定波長領域を抽出する抽出処理を含む画像処理を行う画像処理手段を備えることを特徴とする請求項７に記載の外観検査装置。
10. 検査対象である試料に異なる波長領域の複数の照明光を異なる角度で照射し、
    複数の照明光が照射された前記試料を撮像手段でカラー画像データを取得し、
    前記カラー画像データに基づいて前記試料の外観を検査することを特徴とする外観検査方法。
11. 撮像した前記試料の前記カラー画像データの特定波長領域を強調する強調処理を施すことを特徴とする請求項１０に記載の外観検査方法。