JP4357666B2

JP4357666B2 - パターン検査方法および装置

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Publication number: JP4357666B2
Application number: JP26191299A
Authority: JP
Inventors: 哲志伊美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2019-09-16
Also published as: JP2001084379A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体製造に関係するパターンが形成されたマスク、レチクル、半導体ウエハ、半導体チップ、半導体回路あるいはプリント基板、液晶表示デバイス用基板などの如き試料を検査するパターンの検査方法および装置にかかわり、特にパターンの欠陥や付着ダストの有無などの検査をおこなうパターン検査方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高密度実装技術の進歩により半導体素子を基板に直接貼り付けるＣＯＢ（ＣｈｉｐＯｎＢｏａｒｄ）やＣＯＧ（ＣｈｉｐＯｎＧｌａｓｓ）等の実装方式が増えている。したがって、半導体チップをモールドしたパッケージではなく、ウエハが完成した段階やダイシングした段階での形態で製品を出荷することも多くなっている。
【０００３】
これらの半導体チップのパターンの欠陥や傷、ダストの付着の有無等の検査は半導体チップの不良を低減させるために極めて重要な技術になってきている。
【０００４】
パターンの検査方法は大別すると、比較法と特徴抽出法の２つに大きく分けることができる。比較法はさらに隣接比較法、基準画像比較法、設計値との比較法の３つに分類できる、本発明は基準画像比較法の一種なので、従来の技術についても基準画像比較法について説明する。
【０００５】
基準画像比較法の基本原理は、入力した検査画像とあらかじめ記憶しておいた基準画像（例えば良品チップを用いて作製した良品画像）との比較を演算し、差画像から欠陥部を抽出し良不良を判定する。ただし、一般に、入力した検査画像は不良が無い場合でも明るさが変化したり、位置ずれが生じている場合が多い。このため、比較に際しては、検出画像の明度を補正したり位置ずれ量を検出して、それにより補正を行って比較している。
【０００６】
位置ずれに関しては通常、画素単位で演算を行っているために、１画素以下のずれをどう扱うかが問題となる。図５（ａ）〜（ｃ）に１画素以下のずれによって生じるノイズの様子の説明図を示す。図５（ａ）に説明図を示すように、１画素以下のずれがない場合に差分演算したときは、基準画像と検査画像は同じ位置での明度が等しい。すなわち、基準画像の明度が１００の箇所では検査画像の明度も１００である。また、同様に、基準画像の明度が２００の箇所では検査画像の明度も２００である。したがって、両者の明度の差分は０になりノイズは発生しないが、図５（ｂ）に示すように、１画素以下のずれがある場合には、検査画像にエッジの影響により、明度が１５０の箇所が存在するので、図５（ｃ）に示すように、基準画像と検査画像との明度の差は５０となって、その箇所でノイズが発生する。
【０００７】
次に、この１画素以下のずれによって生じるノイズの問題を解決するために、いくつかの方法が公開されているので、代表的な３つの方法について説明する。
【０００８】
（１）近傍の最大値−最小値を参照する方法
図６（ａ）〜（ｃ）に、近傍の最大値−最小値を参照する方法を１次元データに適用した場合の説明図を示す。図６（ａ）のように基準画像の注目画素および近傍画素の明度の最大値と最小値を求め、検査画像の注目画素の値が最大値より大きい場合、または、最小値より小さい場合にのみ値をもつようにする。図の例の場合、明度の最大値は２００であり、また、明度の最小値は１００である。したがって、図６（ｂ）に示すように、検査画像の明度が１５０の箇所では、その値が明度の最大値より小さく、また、明度の最小値よりも大きいので、図６（ｃ）に示すように値を持たない。
【０００９】
（２）統計画像を用いる方法
図７（ａ）〜（ｃ）に統計画像を用いる方法を１次元データに適用した場合についての説明図を示す。まず、図７（ａ）に示すように、あらかじめ、実際に検査するシステムで複数枚の画像を撮り込み、平均の画像を基準画像とする。さらに各画素での分散値（ばらつき範囲）を算出する。検査画像と基準画像の差分演算後、差分値が注目画素の分散値に比例する値より大きい場合にのみ値を持つようにする。すなわち、図７（ｂ）に示すように、検査画像が分散値の中に収まっている場合は、図７（ｃ）に示すように、注目画素は値を持たない。
【００１０】
（３）局所摂動法
図８（ａ）〜（ｅ）に局所摂動法を１次元データに適用した場合の説明図を示す。図８（ａ）に示す基準画像と、図８（ｂ）および（ｃ）に示すような基準画像を１画素以下（例えば１／２画素）だけずらした複数画像について、図８（ｄ）に示す検査画像の注目画素および近傍画素と、基準画像および画素ずらし画像について、対応画素同士の差分の総和を演算する。その結果、最も一致した場合の差分結果を値とする。この場合は、検査画像と図８（ｂ）に示した画像とが最も一致したものであるので、その差分は図８（ｅ）に示すように値を持たない。
【００１１】
なお、基準画像比較法については、例えば、特開平１０−１６０６８１号公報及び特開平１０−２２２６７３号公報にも開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の近傍の最大値−最小値を参照する方法では、エッジの近くでは微少な明度差の欠陥を検出できないという問題がある。
【００１３】
また、統計画像を利用する方法は基準画像を作成するのに手間がかかり、かつ、必ずしも統計による結果が正しいという保証はできない。
【００１４】
また、局所摂動法は例えば、１／２画素単位でずらした時には１／４画素ずれたときに最も大きなノイズが出る。このため画像全体に対してしきい値を大きめにとる必要があり、微少な明度差の欠陥を検出できない。
【００１５】
つまり、エッジの存在する部分でノイズを出さないようにしきい値を設定すると、平坦な部分では位置ずれによる誤差が生じにくいにも関わらず、しきい値以上の明度差の欠陥のみを検出してしまう。
【００１６】
本発明はこれらの事情にもとづいて成されたもので、１画素以下の位置ずれに対してノイズが少なく、かつ、微少な明度差の欠陥を検出できる方法および装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明による手段によれば、基準画像のパターンデータと、被検査体を撮像装置で撮像して得た被検査体パターンデータとを比較し、前記被検査体のパターンを検査するパターン検査方法において、
前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較は、前記被検査体のパターンデータと、前記基準画像および前記基準画像を１画素以下だけ複数の方向にずらした複数のパターンデータの各々について比較演算を行って、最も差が少ない位置における差分値を求め、当該差分値が前記基準画像を１画素以下だけずらした際に求められる最大値から最小値の範囲内の場合にはノイズであると判断するようにしたことを特徴とするパターン検査方法である。
【００１８】
また請求項２の発明による手段によれば、前記差分値が、前記最大値よりも大きい場合又は最小値よりも小さい場合にのみ前記パターン検査に必要な情報として利用することを特徴とするパターン検査方法である。
【００１９】
また請求項３の発明による手段によれば、前記前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較演算は、それぞれのパターンデータの明度により行うことを特徴とするパターン検査方法である。
【００２０】
また請求項４の発明による手段によれば、前記前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較により、前記被検査体のパターン欠陥を抽出することを特徴とするパターン検査方法である。
【００２１】
また請求項５の発明による手段によれば、基準体および被検査体を撮像する撮像装置と、この撮像装置により撮像されたパターンデータをそれぞれ記憶する各記憶部と、この各記憶部にに記憶されている基準のパターンデータと被検査体のパターンデータとを比較する差分演算部とを有するパターン検査装置において、前記差分演算部では、前記被検査体のパターンデータと、前記基準画像および前記基準画像を１画素以下だけ複数の方向にずらした複数のパターンデータの各々について比較演算を行って、最も差が少ない位置における差分値を求め、当該差分値が前記基準画像を１画素以下だけずらした際に求められる最大値よりも大きい場合又は最小値よりも小さい場合のみ値を持つようにしていることを特徴とするパターン検査装置である。
【００２２】
また請求項６の発明による手段によれば、前記差分演算部では、比較演算をそれぞれのパターンデータの明度により行うことを特徴とするパターン検査装置である。
【００２３】
また請求項７の発明による手段によれば、前記差分演算部では、比較演算により前記被検査体のパターン欠陥を検出することを特徴とするパターン検査装置である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１はパターン検査装置の構成図である。
【００２５】
撮像装置１は、例えばＣＣＤラインセンサ等が用いられ、半導体ウエハに形成された半導体チップ等の被検査体２の画像を入力してその画像信号を出力する機能を有している。この撮像装置１の出力端子には、Ａ／Ｄ変換器３を介して検査パターンメモリ４と良品パターンメモリ６とが接続されている。したがって、撮像装置１が被検査体２を撮像した際には、撮像装置から出力された画像信号がＡ／Ｄ変換器３でデイジタル化されて検査パターンデータとして検査パターンメモリ４に記憶される。一方、撮像装置１が予め選択されている良品半導体ウエハを用いた良品体２ａを撮像した際には、撮像装置から出力された画像信号がＡ／Ｄ変換器３でデイジタル化されて良品パターンデータとして良品パターンメモリ６に記憶される。
【００２６】
これら検査パターンメモリ４及び良品パターンメモリ６には、それぞれウインドウ抽出部７、８が接続され、このうち一方のウインドウ抽出部７には各デイレイ部９、１０を介して差分演算部１１が接続され、他方のウインドウ抽出部８にはずれ方向演算部１２及び選択部１３を介して差分演算部１１が接続されている。
【００２７】
ウインドウ抽出部７は、検査パターンメモリ４に記億されている検査パターンデータから局部検査を行うために、例えば、注目画素を中心とする５×５画素のウインドウ（以下、５×５ウインドウ）の検査パターンデータを抽出してディレイ部９に送出する機能を有している。
【００２８】
このディレイ部９は、ずれ方向演算部１２における処理時間に相当する時間だけ、ウインドウ抽出部７により抽出された画像データを遅延するものであり、次のディレイ部１０は、ディレイ部９からの画像データを選択部１３における処理時間に相当する時間だけ遅延して差分演算部１１に送出する機能を有している。
【００２９】
ウインドウ抽出部８は、良品パターンメモリ６に記憶されている良品パターンデータから局部検査を行うために、例えば、７×７画素のウインドウ（以下、７×７ウインドウ）の良品パターンデータを抽出して、ずれ方向演算部１２に送出する機能を有している。
【００３０】
このずれ方向演算部１２は、ウインドウ抽出部８により抽出された７×７ウインドウの良品パターンデータを受け取り、この良品パターンデータから注目画素を中心とする５×５ウインドウと、このウインドウの良品パターンデータを例えば角度０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の８方向にそれぞれ２分の１画素だけずらした、８つの５×５ウインドウとの計９通りのウインドウの良品パターンデータを作成し、これら良品パターンデータと検査パターンデータとの各差分データを求める機能を有している。この場合、ずれ方向演算部１２は、良品パターンデータのウインドウを０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の８方向にずらす場合、隣り合った画素間の和の比率から２分の１画素だけずらすものとなっている。
【００３１】
選択部１３は、ずれ方向演算部１２により求められた各差分データのうち、画素の総和が最小すなわち画素の総和が０に最も近い方向の良品パターンデータ、すなわち検査パターンデータに対して位置補正された良品パターンデータを選択する機能を有している。
【００３２】
差分演算部１１は、選択部１３により選択された良品パターンデータのウインドウの中心画素とディレイ部１０からの、検査パターンデータのウインドウの中心画素との差分を求める機能を有している。
【００３３】
欠陥判定部１４は、差分演算部１１からの差分と予め設定されたしきい値とを比較して、被検査体２の欠陥判定を行う機能を有している。
【００３４】
繰り返し実行部１５は、ずれ方向演算手段１２、選択部１３、差分演算部１１及び欠陥判定部１４による被検査体２のパターン検査を行う位置連の処理を検査パターンデータの全画素について繰り返し実行させる機能を有している。
【００３５】
次に、これらの構成の装置の作用について説明する。
【００３６】
撮像装置１は、まず、被検査体として良品体２ａの半導体ウエハを用いて、その半導体ウエハに形成された回路パターン等の被検査対象の画像を入力してその画像信号を出力する。この撮像装置１から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器３によりディジタル化されて良品パターンデータとして良品パターンメモリ４に記憶される。
【００３７】
この状態で、被検査体２である一般の半導体チップの検査にはいる。すなわち、撮像装置１は、被検査体２に形成された回路パターン等の画像を入力してその画像信号を出力する。この撮像装置１から出力された画像信号は、Ａ／Ｄ変換器３によりディジタル化されて検査パターンデータとして検査パターンメモリ４に記憶される。
【００３８】
これらの検査パターンデータと、良品パターンデータとを比較することにより被検査体２の検査を行う。
【００３９】
以下、図２に示すフロー図にもとづいて順次説明する。すなわち、上述のように、あらかじめ、被検査体２として良品体２ａの半導体チップを用いて、その半導体チップに形成された回路パターン等の被検査対象を撮像装置１で撮像して、その画像をＡ／Ｄ変換器３を介して良品パターンメモリ４にディジタル化して入力し、その画像信号を良品パターンデータとして良品パターンメモリ４に記憶している状態で、撮像装置１により被検査体２の画像を撮像して、検査画像としてＡ／Ｄ変換器３を介して検査パターンメモリ４にデイジタル化して入力する（Ｓ１）。
【００４０】
続いて、この検査パターンメモリ４に入力された検査パターンデータに対して、良品パターンメモリ６に記憶されている基準画像である良品パターンデータに対する位置補正を行う（Ｓ２）。さらに、検査パターンデータの輝度を測定して輝度の正規化を行う（Ｓ３）。次に、基準画像の良品パターンデータと検査パターンデータとの比較を行い差分検出を行う（Ｓ４）。
【００４１】
この差分検出については、図３（ａ）〜（ｅ）の説明図により、１次元データに適用した場合の説明を行う。なお、この場合のずらし量は１／２画素としてある。
【００４２】
すなわち、図３（ａ）に示した基準画像と、図３（ｂ）および（ｃ）に示した基準画像を１／２画素ずらした基準画像について、図３（ｄ）に示した検査パターンデータである検査画像の注目画素および近傍画素と、基準画像および画素ずらし基準画像に対する対応画素同士の差分の総和を演算する。すなわち、例えば、３×３画素のウインドウの場合は、９個の画像に対して、それぞれ対応画素同士の差分を算出し、それらの総和を演算する。それにより、最も一致した場合の差分結果を求めておく。同時に、基準画像の注目画素および近傍画素から、基準画像をずらした場合に注目画素位置において取りうる最大値および最小値を求める。この場合１／２画素ずらした基準画像であるので、１／２の半分である１／４画素ずれた場合に最大および最小の誤差が生じる。
【００４３】
これらにより、検査画像との差分結果がずらした際に取りうる最大値より大きな場合、または、最小値よりも小さな値の場合に、差分結果から最大値または最小値を減算した値を出力する。したがって、最も一致した場合の差分演算結果は、図３（ｄ）に示した検査画像については、演算結果は図３（ｅ）に示したように値を持たない。つまり、差分結果が最大値から最小値の範囲内である場合には、位置ずれによるノイズであると判断し、値を出力しないものである。
【００４４】
次に上述の差分結果を２値化し（Ｓ５）、サイズ判定を行い（Ｓ６）、結果画像の表示を行う（Ｓ７）。
【００４５】
なお、１枚の被検査体２が終了したら、繰返し実行部１５により、次の被検査体２の撮像を行い、同様なプロセスを繰返すことによって被検査体２を検査することができる。その際、良品パターンデータは、その都度、良品体２ａを撮像して作成する必要はなく、良品パターンメモリ６に記憶されている良品パターンデータを用いればよい。
【００４６】
また、本発明の方法を２次元画像でずらし量を１／２画素、近傍範囲を３×３画素とし、画素間を１次補間した場合の計算式は次のようになる。ここで、基準画像はＲ（ｘ、ｙ）、検査画像はＰ（ｘ、ｙ）、演算結果の画像はＱ（ｘ、ｙ）である。
【数１】

上述のように、本発明の方法では１画素以下の範囲で微少な位置決めを行っているのと等価であるので、取りうる誤差を小さくすることができ、その結果、微少な明度差の欠陥を抽出することができる。したがって、従来の近傍の最大値−最小値を参照する方法では、１画素以下の位置ずれにより取りうる誤差が大きく、このため微少な明度差の欠陥を抽出できなかったが、その欠点を解消している。
【００４７】
また、本発明の方法では１枚の画像から最大取りうる誤差を計算するので、簡便で、かつ、基準画像の与え方によらず正しい検出が可能である。そのため、従来の統計による方法では必要としていた、あらかじめ処理しておく大量の画像が不用になった。
【００４８】
また、本発明の方法ではエッジの部分と平坦な部分で、しきい値が変化することと等価であるので、基準画像のパターンによらず、最適なしきい値で欠陥を抽出できて、微少な明度差の欠陥まで抽出できる。したがって、従来の局所摂動法ではエッジの存在する部分でノイズを出さないようにしきい値を設定すると、平坦な部分では位置ずれによる誤差が生じにくいにも関わらず、しきい値以上の明度差の欠陥のみ検出してしまう弊害を除去できる。
【００４９】
次に、上述の検査技術をチップ外観検査装置に用いた場合について説明する。図４はチップ外観検査処置の概要を示すブロック図である。
【００５０】
被検査体２２を載置する検査テーブル２３は、ＸＹステージ２４上にθステージ２５が形成されている。この検査テーブル２３には被検査体２２である半導体ウエハを搬入するローダ２６と排出を行うアンローダ２７とが連接して設けられている。一方、検査テーブル２３の上方にはＺステージ２８が設けられ、このＺステージ２８には同軸・暗視野照明２９、接眼レンズ３０および観察用カラーカメラ３１へ反射光軸を導くハーフミラー３２ａ、３２ｂ、３２ｃが設けられている。また、リング照明３３が検査テーブル２３面を照射する位置に配設されている。
【００５１】
Ｚステージ２８の光軸上の後方には高解像度のＣＣＤカメラ３４が設置されている。このＣＣＤカメラ３４には画像処理ユニット３５が接続されており、また、この画像処理ユニット３５は制御部３６に接続されている。なお、制御部３６には、ＸＹステージ２４、θステージ２５およびＺステージ２８を駆動する各モータ（不図示）を制御するドライバ３７とモニタ３８が接続されている。
【００５２】
これらの構成による装置の動作を説明すると、まず、図示しないマガジンから被検査体２２である半導体ウエハを取出してローダ２６によって搬送し、検査テーブル２３上に載置する。載置された半導体ウエハの位置ずれに関し、回転ずれはθステージ２５により、また、中心ずれはＸＹステージ２４により補正を行う。また、必要に応じて、レンズ系をオートフォーカスでファインアライメントの補正を行う。
【００５３】
次に、指定された照明を点灯し、検査テーブル２３を最初の測定位置に移動する。それにより、数チップ分又は１チップの一部の画像を拡大して画像処理ユニット３５に取込む。画像処理ユニット３５には、予め、良品の半導体ウエハ（不図示）による良品画像のデータが検査前に学習パターン機能を用いて作成されており、そのデータが記憶されているので、そのデータを用いて被検査体２２である半導体ウエハの画像の位置決めを行った後に、ＣＣＤカメラ３４で画像を撮像して画像処理ユニット３５にそのデータを取込み、良品画像のデータと比較して、被検査体２２の良否判定を行う。画像処理ユニット３５での処理は上述の検査方法を用いて行っている。
【００５４】
以下同様な作用を繰り返し、全ての測定が終了したら検査テーブル２３上の半導体ウエハをアンローダ２７で排出し、図示しないマガジンに収納する。
【００５５】
したがって、本装置によれば、半導体チップの検査をノイズが少なく、かつ、微小な明度差の欠陥を確実に検出することができる。
【００５６】
なお、上述の実施の形態では、本発明のパターン検査装置を半導体チップ検査装置に適用した例を示したが、これに限定されることなく、マスクあるいはレチクル検査装置、あるいはプリント基板や液晶基板等の検査装置にも本発明を適用できるものである。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、１画素以下の位置ずれがある検査画像でも、ノイズが少なく、かつ、微少な明度差の欠陥を確実に検出を行うことができる。
【００５８】
また、基準画像は１枚の画像から最大取りうる誤差を計算するので、簡便で、かつ、基準画像の与え方によらず正確な欠陥の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パターン検査装置の構成図。
【図２】パターン検査装置の動作を示すフロー図。
【図３】（ａ）から（ｅ）は、本発明の差分検出についての説明図。
【図４】チップ外観検査処置の概要を示すブロック図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、１画素以下のずれによって生じるノイズの様子の説明図。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、近傍の最大値−最小値を参照する方法を１次元データに適用した場合の説明図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、統計画像を用いる方法を１次元データに適用した場合についての説明図。
【図８】（ａ）〜（ｅ）に局所摂動法を１次元データに適用した場合の説明図。
【符号の説明】
１…撮像装置、２、２２…被検査体、２ａ…良品体、４…検査パターンメモリ、６…良品パターンメモリ、７…ウインドウ抽出部、８…ウインドウ抽出部、１１…差分演算部、１４…欠陥判定部、２３…検査テーブル、３４…ＣＣＤカメラ、３５…画像処理ユニット

Claims

基準画像のパターンデータと、被検査体を撮像装置で撮像して得た被検査体パターンデータとを比較し、前記被検査体のパターンを検査するパターン検査方法において、
前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較は、前記被検査体のパターンデータと、前記基準画像および前記基準画像を１画素以下だけ複数の方向にずらした複数のパターンデータの各々について比較演算を行って、最も差が少ない位置における差分値を求め、当該差分値が前記基準画像を１画素以下だけずらした際に求められる最大値から最小値の範囲内の場合にはノイズであると判断するようにしたことを特徴とするパターン検査方法。
前記差分値が、前記最大値よりも大きい場合又は最小値よりも小さい場合にのみ前記パターン検査に必要な情報として利用することを特徴とする請求項１記載のパターン検査方法。
前記前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較演算は、それぞれのパターンデータの明度により行うことを特徴とする請求項１記載のパターン検査方法。
前記前記基準画像のパターンデータと前記被検査体のパターンデータとの比較により、前記被検査体のパターン欠陥を抽出することを特徴とする請求項１記載のパターン検査方法。
基準体および被検査体を撮像する撮像装置と、この撮像装置により撮像されたパターンデータをそれぞれ記憶する各記憶部と、この各記憶部にに記憶されている基準のパターンデータと被検査体のパターンデータとを比較する差分演算部とを有するパターン検査装置において、
前記差分演算部では、前記被検査体のパターンデータと、前記基準画像および前記基準画像を１画素以下だけ複数の方向にずらした複数のパターンデータの各々について比較演算を行って、最も差が少ない位置における差分値を求め、当該差分値が前記基準画像を１画素以下だけずらした際に求められる最大値よりも大きい場合又は最小値よりも小さい場合のみ値を持つようにしていることを特徴とするパターン検査装置。
前記差分演算部では、比較演算をそれぞれのパターンデータの明度により行うことを特徴とする請求項５記載のパターン検査装置。
前記差分演算部では、比較演算により前記被検査体のパターン欠陥を検出することを特徴とする請求項５記載のパターン検査装置。