JP2014126436A - 積層構造を有するワークの内部検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素化された構成で透過性を有する積層構造のワークの内部の各層の異常を精度よく検査する。
【解決手段】透過性を有する積層構造のウエハＷを格子状の保持テーブルの第１撮像位置に載置して吸着保持し、ウエハの湾曲を矯正して平坦にした後にウエハの第１撮像を行う。その後、ウエハを移動させて保持テーブルに接触していたウエハＷの部位を格子間の照射窓に移動させて吸着保持して第２撮像を行う。第１撮像および第２撮像で得られた画像データからウエハ形状の画像を合成し、所定層の画像を再構成する。当該画像と予め決めた基準画像をマッチング処理してウエハ内部の所定層の異物や汚染の良否判定を行う。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体ウエハ、電子基板またはＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）などの透過性を有する積層構造のワークの内部を検査する内部検査装置に関する。

ワークとして半導体ウエハ（以下、適宜「ウエハ」という）を例にとると、次のような裏面検査が実施されている。当該裏面検査は、次のようにして実施されている。ウエハ裏面に向けて斜め方向から光を照射し、ウエハ裏面からの反射光を撮像手段で撮像する。取得した実画像と予め決めた基準画像のマッチング処理によって異物の付着や欠陥などを判別している（特許文献１）。

また、ウエハの他の検査としては、粘着テープを介してリングフレームに貼り付けられたウエハをダイシング処理した後に分断された半導体素子の検査がある。当該検査方法、ダイシング処理後に粘着テープ部分を保持した状態で当該粘着テープに接着保持されている半導体素子の裏面側に配備した光源から光を照射し、分断線を透過した光を当該光源と対向配備した撮像カメラで撮像する。撮像カメラによって取得した画像から半導体素子の輪郭を求め、分断線の不適切なものを判別している（特許文献２）。

特開２００８−１３１０２５号公報 特開２０１２−５２９９０号公報

しかしながら、近年の高密度実装の要求により半導体基板、ＦＰＤおよびＭＥＭＳ（Micro electro mechanical systems）など積層構造のワークが増加する傾向にある。この積層構造のワークは、湾曲する傾向にある。

したがって、従来の方法のようにウエハなどのワーク外周を保持し、ワーク裏面を開放した状態で撮像カメラによって任意の層を撮像する場合、表面の湾曲率に追従させれば、オートフォーカス機構の焦点深度を保ちつつ、各層の画像を精度よく取得できると思われていた。しかしながら、焦点深度の合った鮮明な画像を取得できないといった問題がある。

また、検査装置用のオートフォーカス機構は高額であり、検査装置の価格を高額にしているといった不都合も生じている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、安価かつ簡素な構成で積層構造のワーク内部の検査を精度よく行うことを可能にする内部検査装置を提供することを主たる目的としている。

オートフォーカス機構が有効に機能しない原因を究明すべく実験を繰り返して鋭意検討した結果、発明者は以下の知見を得ることができた。

ワークの積層構造は、各層ごとに異なる特性をもたせる都合上、組成や材料の異なる部材を積層または多重に貼り合わせている。層単体でみれば微小ながら厚み方向にうねりを有している。しかしながら、層を重ねることにより互いのうねりの影響で各層のうねりに変化が生じ、ワーク本体を凸入湾曲または凹入湾曲させていることが分かった。そこで、当該湾曲を矯正して平坦化することにより、各層のうねりが、層本来のうねりに戻ることも分かった。

したがって、当該各層本来のうねりの状態に戻すことにより、オートフォーカス機能を使わずとも任意に層に焦点深度を合わせて鮮明な画像を得ることができることが分かった。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。

すなわち、透過性を有する積層構造のワークの内部を検査する内部検査装置であって、
格子状の各格子に吸着ラインが形成され、前記ワークを吸着保持する当該ワークより大形の保持テーブルと、
前記保持テーブルに載置されたワークに向けて光を照射する照明ユニットと、
前記保持テーブルを挟んで照明ユニットと対向配備した撮像光学ユニットと、
前記照明ユニットと撮像光学ユニットの組と保持テーブルを相対的に水平移動させる水平駆動機構と、
前記保持テーブルと撮像光学ユニットを相対的に昇降させる昇降機構と、
前記ワークを搬送する搬送機構と、
前記駆動機構、昇降機構および搬送機構の動作を制御する制御部と、
前記撮像光学ユニットに格子状に分断投影された保持テーブル上のワークの第１画像と、前記搬送機構によりワークを移動させて保持テーブルで再保持し、第１画像取得時に保持テーブルに接触していた部位を撮像光学ユニットに投影したワークの第２画像とを合成し、当該合成画像と予め決めた基準画像を比較し、各層の異常を判別する演算処理部と、
を備えたことを特徴とする。

（作用・効果） この構成によれば、凹入湾曲または凸入湾曲しているワークは、格子状の保持テーブルによって吸着保持され、平坦に矯正される。したがって、各層は、合焦範囲内のうねりの状態に戻される。したがって、オートフォーカス機構を用いなくてもよい。その結果、各層の高さを入力し、当該高さに従って昇降機構をオフセット移動させることにより各層の鮮明な画像を取得し、当該画像から異常の有無を容易に検査することができる。

また、格子状の保持テーブルは、アルミニウムなどの金属で安価に形成することができる。ワークに向けて照射した光は，格子によって部分的に遮蔽されるものの、当該遮蔽された部分を格子間の照射窓の部分にワークを移動させて再び撮像することにより、１回目で欠損している画像データを取得することができる。すなわち、１回目の撮像により取得した第１画像と、ワークを移動させて取得した第２画像を合成することによりワーク全体の画像を再構成することができるので、各層の鮮明な画像を得ることができる。したがって、各層の異常を精度よく判別することができる。ここで、異常とは、各層に付着した異物や汚れなどである。

なお、上記構成において、保持テーブルは、第１画像取得時と第２画像取得時のワークとの接触部位の変化に応じて各格子の吸着ラインを切り替えるよう構成することが好ましい。

この構成によれば、ワークと接触している部位のみを精度よく吸着保持することができる。

また、上記構成において、撮像光学ユニットと保持テーブルを撮像光学ユニットの中心軸または撮像光学ユニットの中心軸に対してオフセットされた保持テーブルの中心軸周りに相対的に回転させる回転駆動機構を備えてもよい。

この構成によれば、保持テーブルに載置されたワークのアライメントを容易にすることできる。

また、上記構成において、照明ユニットは、同軸落射方式の照明ユニットで構成されており、
当該同軸落射方式の照明ユニットから照射し、ワーク裏面から反射した反射光によってワークの裏面を撮像する裏面撮像光学ユニットを備え、
前記演算処理部は、裏面撮像光学ユニットによって撮像された裏面画像と予め決めた基準画像を比較し、ワーク裏面の異常も判別するようにしてもよい。

この構成によれば、ワークの裏面に付着している塵埃や汚れなどの外観不良となる異常を層の検査と同時に行うことができる。

本発明の積層構造を有するワークの内部検査装置によれば、格子状の保持テーブルによってワークを平坦に矯正することにより、オートフォーカス機構を利用することなく任意の層に焦点深度を精度よく合わせた画像を取得し、当該画像から各層に生じている異常を精度よく検出するこができる。また、格子状の保持テーブルは、金属などによって安価に形成することができる。

本実施例に係る内部検査装置の概略構成を示す斜視図である。 本実施例に係る内部検査装置の概略構成を示す正面図である。 第１撮像位置にウエハＷを載置した状態を仮想線で示した保持テーブルの平面図である。 第２撮像位置にウエハＷを載置した状態を仮想線で示した保持テーブルの平面図である。 実施例装置による検査処理を示すフローチャートである。 第１画像と第２画像を合成して再構成画像を作成する模式図である。 変形例による検査処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。なお、本実施例では、検査対象物として、透過性を有する積層構造の半導体ウエハ（以下、単に「ウエハＷ」という）を例にとって説明する。なお、当該ウエハは、バックグラインド前の回路パターンが形成された状態または形成されていない状態、および、バックグラインド処理後の薄化された状態のものであってもよい。

図１は、本発明の実施例に係る内部検査装置の概略構成を示す正面図である。

内部検査装置は、撮像光学ユニット１、検査ステージ２、照明ユニット３、搬送ロボット４および制御部５などから構成されている。

撮像光学ユニット１は、検査用カメラ６、顕微鏡７、レボルバ８および昇降機構９を備えている。

検査用カメラ６は、ＣＣＤなどの撮像素子を備えている。当該撮像素子は、画像データをデジタル変換して出力する。

顕微鏡７は、レボルバ８に備わった倍率の異なる複数個の対物レンズの拡大像を撮像素子に結像する。レボルバ８は、軸Ｐ周りに回転する。つまり、使用する対物レンズが保持テーブル１０を挟んで対向配備した照明ユニット３の照射部２１と対向するように、当該レボルバ８は構成されている。

昇降機構９は、撮像光学ユニット１を上下に昇降させる。つまり、透過性を有する積層構造のウエハＷの任意の層に焦点深度を合わせるように、撮像光学ユニット１を昇降させる。なお、当該駆動機構９は、例えばステッピングモータ或いはサーボモータなどから構成されている。

検査ステージ２は、図２に示すように、保持テーブル１０、第１可動台１２、第２可動台１３および第３可動台１４などから構成されている。

保持テーブル１０は、アルミニウムなどの金属で形成されている。当該保持テーブル１０の形状は、図３に示すように、ウエハＷよりも大形の格子状である。各格子には、吸着溝１１が形成されている。当該吸着溝１１は、電磁バルブ１５Ａ−１５Ｃを備えた流路を介して真空源に連通接続されている。したがって、各電磁バルブ１５Ａ−１５Ｃの開閉操作をすることにより、ウエハＷを載置した位置に応じて吸着ラインを切り替えることが可能になっている。

具体的には、後述するように、検査対象のウエハＷを保持ステージ上で移動させて、２度の撮像を行う。撮影位置に応じて格子によってはウエハＷとの接触部分が変化する。接触部分の変化する当該格子については、吸着溝１１を区画して分けることにより、吸引系統を撮影位置ごとに３系統に分けている。第１撮像位置では、図３に示すように、１５Ａ，１５Ｂの２系統を作動させてウエハＷを吸着する。第２撮像位置では、図４に示すように、１５Ｂ，１５Ｃの２系統を作動させてウエハＷを吸着する。

また、保持テーブル１０は、格子間の照射窓の部分に対応する一側壁の高さを低くした段部１６が形成されている。当該段部１６は、搬送ロボット４のアーム先端が、ウエハＷの裏面を吸着保持して保持テーブル２に載置するときに、当該段部１６にアーム先端が収まり、当該段部１６から退避するように構成されている。

さらに、保持テーブル１０の下部に配備された３台の可動台は、下から順に第１可動台１２、第２可動台１３および第３可動台１４に配備されている。第１可動台１２は、装置基台に敷設されたガイドレールに沿ってＹ軸方向に往復移動する。第２可動台１３は、第１可動台１２に敷設されたガイドレールに沿ってＸ軸方向に往復移動する。第３可動台１４は、第２可動台１３上に設けられたモータ１７（例えばダイレクト・ドライブ・モータ）によってθ方向に回転する。なお、第１可動台１２、第２可動台１３および各ガイドレールは、本発明の水平駆動機構を構成する。また、第３可動台１４およびモータ１７は、本発明の回転駆動機構を構成する。

照明ユニット３は、光源１８、ガイドフレーム１９、光ファイバ２０および照射部２１などから構成されている。すなわち、装置の縦壁から片持支持されたガイドフレーム１９は、保持テーブル１０と第３可動台１４の間まで延びている。当該ガイドフレーム１９の基端側に光源１８が配備されている。当該光源１８から照射される光は、ガイドフレーム１９の内部を通している光ファイバ２０によって照射部２１に導かれ、当該照射部２１に備わったレンズを通して上向きに照射される。光源１８は、本実施例では赤外線ＬＥＤが利用されているがＬＥＤに限定されるものではない。白色光源などであってもよい。

搬送ロボット４は、アーム先端に馬蹄形をしたウエハ保持部を備えている。当該搬送ロボット４は、図示しないカセットに多段に収納されたウエハ同士の間にアーム先端を挿入し、ウエハ裏面から吸着保持して搬出し、検査ステージ２に載置するとともに、検査後のウエハＷを検査ステージ２から搬出して所定位置に搬送する。なお、搬送ロボット４は、本発明の搬送機構に相当する。

制御部５は、当該内部検査装置の駆動機構などを総括的にコントロールしているとともに、内部に記憶部２２および演算処理部２３を備えている。詳細については、当該内部検査装置の動作説明に沿って説明する。

次に、図５のフローチャートに沿って上述の内部検査装置を用いたウエハの検査の一巡の動作について説明する。

＜ステップＳ１＞ 条件設定
同じロットから所定枚数のウエハＷを選択し、当該ウエハＷを平坦に矯正した状態で複数個分の高さを求め、当該高さから基準高さを決めて制御部５の記憶部２２に予め記憶しておく。検査する層を選択するとともに、レボルバ８を回転させて取得したい倍率の画像に応じた対物レンズを選択する。

＜ステップＳ２＞ ウエハ搬入
初期設定が完了すると、搬送ロボット４によってカセットからウエハＷを搬出し、図３に示すように、保持テーブル１０の第１撮像位置に載置する。このとき、制御部５は、電磁バルブ１５Ａ、１５Ｂを開き、第１撮像位置の領域内の吸着ラインのみを作動させる。保持テーブル１０による吸着によってウエハＷが平坦に矯正されると、搬送ロボット４は、ウエハＷの吸着を解除して後方の待機位置に戻る。

＜ステップＳ３＞ アライメント
撮像光学ユニット１によってウエハＷに形成されたオリエンテーションフラットまたはＶノッチなどを検出し、当該検出結果に基づいてウエハＷの位置合わせを行う。また、ウエハＷの外形よりも撮像視野が小さいので、当該撮像視野で走査する初期位置に位置合わせする。すなわち、第１可動台１２および第２可動台１３を移動させて位置合わせするとともに、第３可動台１４をモータ１７の回転軸周りに回転させてウエハＷの位置合わせも行う。

＜ステップＳ４＞ 第１撮像
ウエハＷのアライメント処理と撮像開始の初期位置への移動が完了すると、昇降機構９によって検査カメラ６を設定された所定高さに移動させる。その後に第２可動台１３をＸ軸方向に走査して撮像を行う。次に、第１可動台１２を第Ｙ方向に走査して撮像を行う。各撮像位置で取得した複数枚分の画像データは、記憶部２２に逐次に記憶される。

＜ステップＳ５＞ 終了位置の確認
第１撮像の間、ロータリエンコーダなどのセンサによって検出される第１可動台１２および第２可動台１３の位置を逐次にモニタすることにより、走査終了位置に達した否かを判別し、終了位置に達するまでステップＳ４の処理を繰り返す。走査終了位置に達すると、次のステップに移動する。

＜ステップＳ６＞ ウエハの移動
搬送ロボット４を前進させてウエハＷと保持ステージ１０の間に進入させてウエハＷを裏面から吸着保持する。ウエハＷの吸着保持が確認されると、電磁バルブ１５Ａ−１５Ｃを閉じて保持テーブル１０によるウエハＷの吸着を解除する。次に、ウエハＷを僅かに上昇させ、図４に示すように、ウエハＷを第２撮像位置に移動させて載置する。当該載置と同時に電磁バルブ１５Ｂ、１５Ｃを開いてウエハＷを保持テーブル１０によって吸着保持する。保持テーブル１０による吸着保持が確認されると、搬送ロボット４によるウエハＷの吸着を解除する。搬送ロボット４は、待機位置に後退する。

なお、第２撮像位置にウエハＷを載置したとき、第１撮像位置で保持テーブル１０と接触して画像データが取得されていない部位が格子間の照射窓に位置し、当該部位の画像データが取得可能な状態となる。

＜ステップＳ７＞ アライメント
保持テーブル１０にウエハＷが載置されると、ステップＳ３と同様にアライメント処理が実行される。すなわち、撮像光学ユニット１によってウエハＷに形成されたオリエンテーションフラットまたはＶノッチなどを検出し、当該検出結果に基づいてウエハＷの位置合わせを行う。また、ウエハＷの外形よりも撮像視野が小さいので、当該撮像視野で走査する初期位置に位置合わせする。

＜ステップＳ８＞ 第２撮像
第１撮像時の高さに検査カメラ６を設定したまま、第１撮像と同じ条件で撮像を開始する。すなわち、第２可動台１３をＸ軸方向に走査して撮像を行う。次に、第１可動台１２を第Ｙ方向に走査して撮像を行う。各撮像位置で取得した複数枚分の画像データは、記憶部２２に逐次に記憶される。

＜ステップＳ９＞ 終了位置の確認
第２撮像の間、ロータリエンコーダなでのセンサによって検出される第１可動台１２および第２可動台１３の位置を逐次にモニタすることにより、走査終了位置に達した否かを判別し、終了位置に達するまでステップＳ４の処理を繰り返す。走査終了位置に達すると、次のステップに移動する。

＜ステップＳ１０＞ 画像合成
制御部５の演算処理部２３は、図６に示すように、第１撮像および第２撮像により取得した画像データを記憶部２２から読み出して画像を合成し、所定層の画像のみを再構成する。

＜ステップＳ１１＞ 良否判別
演算処理部２３は、再構成された検査画像と記憶部２２に予め記憶されている基準画像のパターンマッチング処理を行い異物や汚れなどの判別を行う。

＜ステップＳ１２＞ ウエハ搬出
搬送ロボット４が、ウエハＷを裏面から吸着保持して検査終了後のウエハＷを保持テーブル１０から搬出し、図示しないカセットにウエハＷを搬送する。

＜ステップＳ１３＞ 処理枚数判定
所定枚数のウエハＷの検査が完了したか否かをカウンタによってカウントする。所定枚数に達していなければ、ステップＳ２からの処理を繰り返す。所定枚数に達していれば、その時点で検査処理を終了する。

上記実施例装置によれば、格子状の保持テーブル１０によってウエハＷを吸着保持することにより、ウエハＷを平坦に矯正し、ひいては内部の各層固有のうねりを合焦範囲内に納めることができる。したがって、初期位置で検査カメラ６の高さ設定をすれば、昇降機構９で当該検査カメラ６をオフセット移動させるだけでオートフォーカス機能を省いた構成であっても鮮明な画像を取得することができる。

また、保持テーブル１０を格子状にすることにより、部分的にウエハＷの裏面から光を透過させることができる。第１撮像によって欠損した画像エータは、第２撮像の際に欠損部位が照射窓に位置合わせすることにより、当該部位の画像データが取得可能となる。したがって、第１画像と第２画像を合成し、ウエハＷの所定層のみの画像を再構成することにより、鮮明な全体画像を取得することができる。

また、従来のウエハＷの外周のみを保持する場合に比べて、ウエハＷの裏面全体を検査することができる。

さらに、保持テーブル１０は、アルミニウムなどの金属により容易かつ安価に形成することができるとともに、オートフォーカス機構を省くことにより、安価かつ簡素な構成を実現することができる。

本発明は上述した実施例のものに限らず、次のように変形実施することもできる。

（１）上記実施例装置では、撮像光学ユニット１を昇降させる構成であったが、保持テーブル１０を昇降させるよう構成してもよい。

（２）上記実施例装置では、ウエハＷの外形よりも小さい撮像視野で画像データを取得していたが、ウエハＷよりも大きい撮像視野で１枚の画像データを取得し、２枚分の画像データからウエハＷ全体の画像を再構成してもよい。

（３）上記実施例装置では、第２撮像前にウエハＷのアライメントを行っているが、第１撮像前のアライメントによって、位置精度が保たれている場合、当該アライメント処理を省いてもよい。

（４）上記実施例装置は、複数層を順番または任意に複数層に選んで検査することができる。この場合、図７に示すように、図５のステップＳ４とステップＳ８の後に、他の未検査層を検査するように同じ位置で第１撮像および第２撮像を繰り返すようステップＳ４ＡおよびステップＳ８Ａを設ければよい。

したがって、第１撮像および第２撮像では、予め設定した任意の層の高さに応じて、同じ位置で昇降機構９を作動させて検査カメラ６の高さを調整し、選択した層の画像を順番に所得する。設定した各層の撮像を完了すると、水平方向に移動して新たな撮像領域の複数層の撮像を行う。

なお、ステップＳ１０では、各層の画像を再構成し、ステップＳ１１では各層の基準画像と検査画像のパターンマッチング処理により良否判定を行うようにすればよい。

（５）上記実施例装置は、複数層の検査のみを行っていたが、ウエハＷの裏面の検査も同時に行うように構成してもよい。例えば、照明ユニット３を同軸落射方式の照明ユニットにする。また、ウエハＷの裏面側に配備した当該同軸落射方式の照明ユニットから照射し、ウエハＷで反射した反射光を検出する裏面撮像光学ユニットを個別に設ければよい。

１ … 撮像光学ユニット
２ … 検査ステージ
３ … 照明ユニット
４ … 搬送ロボット
５ … 制御部
６ … 検査用カメラ
１０ … 保持テーブル
２２ … 記憶部
２３ … 演算処理部

Claims (4)

1. 透過性を有する積層構造のワークの内部を検査する内部検査装置であって、
   格子状の各格子に吸着ラインが形成され、前記ワークを吸着保持する当該ワークより大形の保持テーブルと、
   前記保持テーブルに載置されたワークに向けて光を照射する照明ユニットと、
   前記保持テーブルを挟んで照明ユニットと対向配備した撮像光学ユニットと、
   前記照明ユニットと撮像光学ユニットの組と保持テーブルを相対的に水平移動させる水平駆動機構と、
   前記保持テーブルと撮像光学ユニットを相対的に昇降させる昇降機構と、
   前記ワークを搬送する搬送機構と、
   前記駆動機構、昇降機構および搬送機構の動作を制御する制御部と、
   前記撮像光学ユニットに格子状に分断投影された保持テーブル上のワークの第１画像と、前記搬送機構によりワークを移動させて保持テーブルで再保持し、第１画像取得時に保持テーブルに接触していた部位を撮像光学ユニットに投影したワークの第２画像とを合成し、当該合成画像と予め決めた基準画像を比較し、各層の異常を判別する演算処理部と、
   を備えたことを特徴とする内部検査装置。
2. 請求項１に記載の内部検査装置において、
   前記保持テーブルは、第１画像取得時と第２画像取得時のワークとの接触部位の変化に応じて各格子の吸着ラインを切り替えるよう構成されている
   ことを特徴とする内部検査装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の内部検査装置において、
   前記撮像光学ユニットと保持テーブルを撮像光学ユニットの中心軸または撮像光学ユニットの中心軸に対してオフセットされた保持テーブルの中心軸周りに相対的に回転させる回転駆動機構を備えた
   ことを特徴とする内部検査装置。
4. 請求項１ないし請求項３の少なくともいずれに記載の内部検査装置において、
   前記照明ユニットは、同軸落射方式の照明ユニットで構成されており、
   当該同軸落射方式の照明ユニットから照射し、ワーク裏面から反射した反射光によってワークの裏面を撮像する裏面撮像光学ユニットを備え、
   前記演算処理部は、裏面撮像光学ユニットによって撮像された裏面画像と予め決めた基準画像を比較し、ワーク裏面の異常も判別する
   ことを特徴とする内部検査装置。

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