JP4162319B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハや液晶ガラス等の被検物表面の欠陥を検査する欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
照明光により照明された半導体ウエハを撮像素子により撮像し、撮像された画像を画像処理して被検物上に形成されたチップパターンの欠陥やウエハ上の傷、埃等の欠陥を検査する装置が提案されている。例えば、撮像された画像データを基に隣接する２つのパターンを比較し、その差分処理を行うことにより検出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体ウエハに形成されるパターンはレジスト膜や酸化膜などを施しながら種々の製造工程により形成されていくので、各製造工程の後に検査を行うことは極めて重要である。しかしながら、干渉性のある膜（特に酸化膜）の上あるいはその中に形成されたパターンを検査する場合、その膜に厚さむらが有ると撮像される画像には色むらが発生する。この色むらが大きすぎると、パターンやキズ、ゴミ等の欠陥と区別がつかなくなり、検査精度に影響するという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、膜厚むら（色むら）の影響を受けずに精度の高い検査を可能にする欠陥検査装置を提供することを技術課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は以下のような構成を備えることを特徴とする。
【０００６】
（１） 被検物の検査面の欠陥を検査する欠陥検査装置において、検査面を照明する照明光学系と、該照明された検査面を撮像する撮像素子を持つ撮像光学系と、前記撮像素子により撮像される検査面からの光を異なる中心波長を持つ帯域光に選択的に変化させる波長可変手段と、波長を変化させて前記撮像素子により得られた各画像の対応する画素について、所定の輝度条件を満たす画素データを抽出し、該抽出された画素データで構成される画像を作成する画像作成手段と、該作成された画像に基づいて検査面の欠陥を検出する欠陥検出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
（２） （１）の欠陥検査装置において、前記所定の輝度条件を満たす画素データとは、波長を変化させて得られた各画像の位置的に対応する画素について、輝度の最大値又は最小値となる画素データであり、前記画像作成手段は輝度の最大値又は最小値の何れか一方の画素データで構成される画像、または両者の画素データを選択して構成される画像を作成することを特徴とする。
【０００８】
（３） （１）の欠陥検査装置は、さらに前記波長可変手段により変化させる各波長のスペクトル特性と前記撮像素子の感度特性とに基づいて、波長に対する画像の輝度を正規化する正規化手段を備え、前記画像作成手段は正規化された画像を基にして画像作成を行うことを特徴とする。
【０００９】
（４） （１）の欠陥検査装置において、前記波長可変手段が変化させる各波長の帯域光は、検査面に施されている膜の干渉特性を必要とする精度で検出するように定められた狭帯域であることを特徴とする。
【００１０】
（５） （１）の欠陥検査装置において、前記波長可変手段が変化させる帯域光の中心波長は、検査面に施されている膜の干渉特性に対して前記所定の輝度条件が必要な精度で検出されるように定められていることを特徴とする。
【００１１】
（６） （１）の欠陥検査装置は、繰り返しパターンを検査面に有する被検物を検査する装置であって、前記撮像素子の画素に対する検査面上のある第１位置のパターンと第２位置のパターンとの位置関係が略同一になるように移動する移動手段を備え、前記画像作成手段は前記移動手段により移動して得られる画像に基づいて２枚の画像を作成し、前記欠陥検出手段は該２枚の作成画像の比較に基づいて欠陥を検出することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に掛かる欠陥検査装置の構成を示す図である。
【００１３】
１は照明光学系の光源であるハロゲンランプ、２は複数の波長選択フィルタ２ａ及び白色照明用の開口を持つ回転板である。波長選択フィルタ２ａは、ハロゲンランプ１から発せられる白色光を選択的に異なる中心波長を持つ帯域光にするためのものであり、帯域光の中心波長を定められた間隔で変化させるように複数個用意されている。本形態では中心波長の範囲を４５０ｎｍ〜７５０ｎｍとし、後述する各波長間の間隔の決定方法を基にして１９種類に分けている。また、各波長の帯域幅は、検査対象物に施されている膜の干渉特性を必要とする精度で検出するために十分な狭帯域とされている。すなわち、波長の帯域幅を広くすると、その干渉光の強度変化がなだらかになりすぎて後述する検査精度が悪くなるので、中心波長に対する強度変化が許容誤差内に入るように、各波長の帯域幅が定められている。
【００１４】
回転板２はモータ３により回転駆動されて所望の波長選択フィルタ２ａ、開口が選択的に光路に配置される。波長選択フィルタ２ａ又は開口を通過した光は拡散板４によって拡散され、輝度が十分に均一な拡散照明光とされる。拡散板４を発した光は、コリメータレンズ５によって略平行とされた後、ＸＹステージ６に載置されたウエハＷを照明する。コリメータレンズ５は検査対象物であるウエハＷの検査面より一回り大きな径を持つ。
【００１５】
照明光学系により照明されたウエハＷはＣＣＤカメラ１０及び前述のコリメータレンズ５を含む撮像光学系により撮像される。照明光学系により照明されたウエハＷからの正反射光は、コリメータレンズ５によって収束され、ウエハＷのほぼ全面の像が撮像素子を持つＣＣＤカメラ１０に結像する。なお、前述した波長選択フィルタ２ａ等を持つ回転板２は、撮像光学系側（カメラ１０の前）に配置しても良い。
【００１６】
カメラ１０からの画像信号は画像処理部２０に入力される。画像処理部２０は、カメラ１０から画像信号にＡ／Ｄ変換等の所定の処理を施して取り込んだ後、ノイズ除去、撮像素子の感度補正等の必要な前処理を行って欠陥検出の画像処理を行う。２０ａは画像メモリであり、ＣＣＤカメラ１０から画像が記憶される。２１は画像表示部、２２はＸＹステージ６を移動するステージ駆動部、２３は本欠陥装置全体を制御する制御部である。
【００１７】
次に干渉性のある膜に対して、その膜厚むらの影響を受けない画像を得るための原理を説明する。
【００１８】
干渉性のある膜を照明したときに得られる干渉光の強度は、膜厚と照明光の波長に依存しており、膜の表面で反射される光の強度をＡ、膜の裏面で反射される光の強度をＢ、膜の屈折率をｎ、膜厚をｈ、照明光の波長をλとすると、干渉光の強度Ｃは、
【数１】

で与えられる。すなわち、干渉光の強度Ｃは膜厚ｈの変化とともに正弦波状に変化し（図２参照）、その最小値及び最大値は、
【数２】

となる。また、干渉光の強度変化の周期は波長λによって変化する。
【００１９】
図２からも分かるように、膜厚が異なる場合には同じ波長で観察すると異なる明るさになるが、異なる波長で観察した場合、それぞれにおける干渉光の強度の最大値（又は最小値）に着目すれば、膜厚の違う部分も共に同じ明るさ（同じ干渉強度）になる。従って、複数の波長を使用し、それらの最大値又は最小値（これらは後述するように許容誤差を考慮したもの）というように所定の輝度条件を満たす画素で構成される画像を作成すれば、膜厚の違いに依存しない輝度（明るさ）の画像を得ることができる。ただし、波長を変えたときに得られる輝度は選択波長のスペクトル特性と撮像側の感度によって異なるので、同じ条件で評価するめには波長の違いに対して、反射率がほとんど変化しないものを撮像したときに検出される輝度が略同一となるように、予め照明光の輝度やカメラ側の感度に対する補正を行っておく（これを、波長変化に対する画像輝度の正規化という）。
【００２０】
複数の波長（波長λ1、λ2、……λｎ）を使用するに当たって、各波長間の間隔は干渉光の最大値（又は最小値）が必要な精度で検出されるように決定する。これは例えば次のようにする。
【００２１】
図２のように、ある波長λ1に対する干渉光強度の図を作成する。その最大値の高さから許容誤差の分だけ低い高さに横線を引き、これと強度曲線が交わる横軸の位置ｒ１、ｒ２を求める。このｒ１とｒ２の位置からその比率（ｒ２／ｒ１）を算出し、先に決めた波長λ1を基に各隣接波長の比率が、ｒ１とｒ２の比率と同じ（又はそれ以下）になるように、順にλ2、λ3……λｎを決定する。
【００２２】
この方法により決定された各波長（波長λ1、λ2、λ3）について、干渉強度と膜厚の関係で表したものが図３である。膜厚ｈ1〜ｈ2の間で、各膜厚において最も大きな値を示す波形を合成して作られる波形は、波形の最大値に対して許容誤差内に収まっていることが分かる。つまり、膜厚ｈ1〜ｈ2の範囲で干渉光の強度の最大値を必要な精度で検出できることを示している。
【００２３】
なお、膜厚が薄い場合には、使用できる波長において干渉強度が最大にならないことも有り得るが、この場合でも最小値が存在すればその最小値について同様な考え方を基に変化させる波長を定めれば良い。
【００２４】
次に、本形態における検査動作を説明する。ここでは、ウエハ表面に施された酸化膜の上にチップパターンが形成されている場合の欠陥検査を中心に説明する。
【００２５】
検査に際しては、予め波長変化に対する画像輝度の正規化を行っておく。これは次のようにして行うことができる。まず、ウエハの代わりに、均一な反射特性を持つ基準板に対して検査時と同じように波長を順次変えながら照明する。変化させたそれぞれの波長について、基準板からの反射光をカメラ１０により受光し、カメラ１０からの出力により各波長毎の輝度情報を得る（画像処理部２０が行う）。この各波長の輝度情報から、例えば、ある１つの波長の輝度情報を基準にして、他の波長の輝度情報が略同一となるように、各波長ごとの輝度補正データを求め、これを記憶しておく。検査時に各波長ごとの画像を得た際には、この各波長ごとの輝度補正データを基に各画像の輝度を補正することにより、各画像を同一の条件で評価することができるようになる。
【００２６】
実際の検査動作について説明する。制御部２３はモータ３の駆動により１９種類の波長選択フィルタ２ａをハロゲンランプ１の照明光路中に順次配置して、ＸＹステージ６に載置されたウエハＷを照明する。画像処理部２０は、制御部２３の制御による照明光の波長選択に同期させてカメラ１０で撮像されるウエハＷの１９枚の画像データを画像メモリ２０ａに取り込む。
【００２７】
全ての画像の取り込みができたら、画像処理部２０は予め求めた輝度補正データを基に各画像データの輝度の正規化を行う。その後、各画像データの位置的に対応する画素（同一位置の画素）について、上記のように許容誤差を考慮した輝度の最大値又は最小値のものを抽出し、抽出された各位置の画素データにより構成される１枚の画像を作成する。これにより干渉性のある膜にたしてその厚さむらによる明るさの違いを排除した画像を得ることができる。作成画像（第１の作成画像）は画像メモリ２０aに記憶される。
【００２８】
なお、後述する欠陥検査は画素単位で検出処理を行うので、１つの画像を作成するに際には、輝度の最大値又は最小値のみで構成される画像ではなく、輝度の最大値を選択した画素と最小値を選択した画素とにより、１つの画像を作成しても良い。膜の中にパターンが形成されている場合には、パターン部分の膜厚とパターンの無い部分の膜厚との違いが大きくなるので、輝度の最大値が得られない部分については最小値側のものを選択して行う。
【００２９】
こうして第１の作成画像の記憶がされると、画像処理部２０に接続された制御部２３はウエハ上の第１位置のパターンと第２位置のパターンの位置関係が一致するように、撮像光学系に対してウエハＷを相対移動して、第２の作成画像を得るための準備を行う。この移動は、例えば、ウエハＷ上に形成されているチップのパターンの配列方向に対して、その繰り返し周期の正数倍分ずれるように、ステージ駆動部２２を駆動してＸＹステージ６を移動する。この場合、カメラ１０からの画像データを処理してチップのパターンの配列方向を求め、これとパターンのピッチ（これは既知である）とのデータに基づいて移動すれば良い。
【００３０】
ウエハＷを移動した後、第１の作成画像を得たときと同様にして、照明波長を変化させて撮像した各画像データを基に、膜厚むらによる明るさの違いを排除した１枚の画像を作成する（第２の作成画像を得る）。なお、第１の作成画像及び第２の作成画像を得るに当たっては、ウエハＷの移動前後の撮像を先に行っておき、後でまとめて画像処理を行ってもよい。第１の作成画像及び第２の作成画像が得られたら、画像処理部２０はこの２枚の画像データを比較することにより欠陥検出を行う。
【００３１】
繰返しパターンの欠陥検出は、隣り合うパターンの画像同士を差分処理する方法（パターンマッチング）により行うことができるが、ウエハ全体を撮像した画像では、ウエハ上のパターンに対してカメラ１０が持つ撮像素子の画素が粗いので、撮影画像にはモアレが生じる。このため、１枚の画像データによる差分処理ではモアレの影響により疑似欠陥が検出されてしまうが、上記のようにウエハ上の第１位置のパターンと第２位置のパターンの位置関係が一致するようにした２枚の画像データを用いることにより、モアレの影響を排除して本来の欠陥のみを検出することができる。以下、この理由を図４により説明する。
【００３２】
図４（ａ）はウエハの移動前におけるＣＣＤカメラの画素に対する、２つの隣り合うチップ１及びチップ２のパターンの位置関係を模式的に示した図であり、図４（ｂ）はそのときの画像データの輝度信号を示した図である。（ｃ）、（ｄ）は、同様に移動後のものをそれぞれ模式的に示した図である（相対的に光学系側を移動したときのものと同じになる）。ここでチップ１側のパターンに欠陥パターン５０があるものとする。図４（ａ）のチップ１のパターンに対する画素の位置関係は、１チップのピッチ分ずらしたものである図４（ｃ）のチップ２のパターンと画素の位置関係は同じなる。従って、図４（ｂ）におけるチップ１のパターンの画像データと、図４（ｄ）におけるチップ２のパターンの画像データにはそれぞれ同じモアレが発生していることになり、この２つの画像データを差分処理すれば、図４（ｅ）に示すように、欠陥のデータ５０′だけが残り、モアレ等による疑似欠陥の発生のない欠陥検査ができる。
【００３３】
繰返しパターンを持たない被検物の欠陥検出（例えば、パターンを形成する前のウエハ上におけるキズやゴミ等の欠陥検査）については、１枚の画像データ（前述のように波長を変化させて得た第１の作成画像）から検出が可能であるが、ＣＣＤカメラの撮像素子が持つ画素間の特性差があり、これが疑似欠陥になって検出感度に影響する場合は次のようにすれば良い。すなわち、撮像素子が持つ画素の正数倍の移動量で移動した２枚の画像データ（前述のように波長を変化させて得た第１の作成画像、第２の作成画像）の比較処理を行う。又は、予め記憶した無欠陥の基準画像データと検査対象として得た画像データとの比較処理を行う。こうすれば、画素間の特性差の影響を受けること無く高感度で欠陥検査が行える。
【００３４】
以上、膜厚むらの影響を強く受ける検査について説明したが、膜厚むらの影響を受けない欠陥検査の場合には、波長選択フィルタ２ａを使用せずに、回転板２の開口を光路に配置し、ハロゲンランプ１からの白色照明光により得られる画像に基づいて欠陥検出を行えば良い。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、干渉性のある膜が施された被検物であっても、その膜厚むら（色むら）の影響を受けずに精度の高い欠陥検査を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に掛かる欠陥検査装置の構成を示す図である。
【図２】干渉性のある膜を照明したときに得られる干渉光の強度の、膜厚及び波長に対する関係を示す図である。
【図３】干渉光の最大値が必要な精度で検出されるように決定された各波長（波長λ1、λ2、λ3）について、干渉強度と膜厚の関係で表した図である。
【図４】モアレの影響を排除して、第１位置のパターンと第２位置のパターンとの比較により本来の欠陥のみを検出する方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ ハロゲンランプ
２ 回転板
２ａ 波長選択フィルタ
５ コリメータレンズ
１０ ＣＣＤカメラ
２０ 画像処理部
２０ａ 画像メモリ
２３ 制御部
Ｗ ウエハ

Claims (6)

1. 被検物の検査面の欠陥を検査する欠陥検査装置において、検査面を照明する照明光学系と、該照明された検査面を撮像する撮像素子を持つ撮像光学系と、前記撮像素子により撮像される検査面からの光を異なる中心波長を持つ帯域光に選択的に変化させる波長可変手段と、波長を変化させて前記撮像素子により得られた各画像の対応する画素について、所定の輝度条件を満たす画素データを抽出し、該抽出された画素データで構成される画像を作成する画像作成手段と、該作成された画像に基づいて検査面の欠陥を検出する欠陥検出手段と、を備えることを特徴とする欠陥検査装置。
2. 請求項１の欠陥検査装置において、前記所定の輝度条件を満たす画素データとは、波長を変化させて得られた各画像の位置的に対応する画素について、輝度の最大値又は最小値となる画素データであり、前記画像作成手段は輝度の最大値又は最小値の何れか一方の画素データで構成される画像、または両者の画素データを選択して構成される画像を作成することを特徴とする欠陥検査装置。
3. 請求項１の欠陥検査装置は、さらに前記波長可変手段により変化させる各波長のスペクトル特性と前記撮像素子の感度特性とに基づいて、波長に対する画像の輝度を正規化する正規化手段を備え、前記画像作成手段は正規化された画像を基にして画像作成を行うことを特徴とする欠陥検査装置。
4. 請求項１の欠陥検査装置において、前記波長可変手段が変化させる各波長の帯域光は、検査面に施されている膜の干渉特性を必要とする精度で検出するように定められた狭帯域であることを特徴とする欠陥検査装置。
5. 請求項１の欠陥検査装置において、前記波長可変手段が変化させる帯域光の中心波長は、検査面に施されている膜の干渉特性に対して前記所定の輝度条件が必要な精度で検出されるように定められていることを特徴とする欠陥検査装置。
6. 請求項１の欠陥検査装置は、繰り返しパターンを検査面に有する被検物を検査する装置であって、前記撮像素子の画素に対する検査面上のある第１位置のパターンと第２位置のパターンとの位置関係が略同一になるように移動する移動手段を備え、前記画像作成手段は前記移動手段により移動して得られる画像に基づいて２枚の画像を作成し、前記欠陥検出手段は該２枚の作成画像の比較に基づいて欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査装置。

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