JP4450776B2

JP4450776B2 - 欠陥検査方法及び外観検査装置

Info

Publication number: JP4450776B2
Application number: JP2005212978A
Authority: JP
Inventors: 啓志村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: JP2007033073A; US8126259B2; US20070019858A1; US20100194876A1; US20120114222A1; US8131058B2; US8472697B2

Description

本発明は、外観検査によって被検査物の欠陥を検出する欠陥検査方法及び外観検査装置にかかわり、特に半導体ウエハ、フォトマスク、プリント基板などの製造工程におけるパターンの欠陥及び異物等の検査に用いる欠陥検査方法及び外願検査装置に関する。

例えば半導体チップの外観検査による欠陥検査では、同じパターンが繰り返し形成された半導体ウェハ上を走査しながら画像を取得し、２つの互いに隣接するチップの画像を比較（ダイ比較）して欠陥を検出する方法が知られている。また、メモリのセル部のように短い周期でパターンが繰り返されている部分では、繰り返し周期の整数倍だけ画像をずらして比較（セル比較）し欠陥を検出する方法も知られている。具体的な欠陥の検出方法としては、例えば特許文献１に開示されているように、隣接するチップの２つの画像、あるいは、繰り返し周期の整数倍だけずらした画像とずらす前の画像を、位置合わせした後に差をとり、得られた差画像を閾値処理する方法等が既に知られている。さらに、ダイ比較の場合には、例えば特許文献２に開示されているように、欠陥のあるチップを特定するために、３枚の画像を比較する方法も知られている。この方法は、検査するチップの画像を両隣のチップの画像と比較し、右のチップの画像と比べても左のチップの画像と比べてもともに閾値を超える差がある場合にのみ、そのチップに欠陥があると判定するものである。

特開昭６１−２１２７０８号公報特開平２−１７０２７９号公報

半導体チップの欠陥検査において、ダイ比較による検査で、３枚の画像を比較して欠陥のあるチップを特定する方式では、検査するチップの画像を両隣のチップの画像と比較した場合に、右のチップの画像と比べても左のチップの画像と比べても、ともに閾値を超える差がある場合にのみ、欠陥のあるチップの特定が可能となる。

ところが、差画像の欠陥部の信号レベルが小さく、閾値をわずかに超えるレベルしかない場合には、画像に含まれるノイズ成分やステージの振動などのランダムな現象の影響で、右のチップの画像と比べた場合には閾値を超える差が得られるが、左のチップの画像と比べた場合には閾値を超える差が得られないという様なケースが生じる。この様な場合には、欠陥のあるチップが特定できないために、この差を欠陥として検出できないという問題点があった。また、ランダムな現象に影響されるために、この欠陥を検出できたりできなかったりすることになり、欠陥検出の安定性の確保が難しいという問題点があった。

一方、セル比較による検査方式では、１つ欠陥があると差画像に２つのピークが見られる。そこで、ピークが２つとも閾値を超えた場合にのみ欠陥と判定することで、ノイズの誤検出を防いでいる。ところが、差画像の欠陥部の信号レベルが小さく、閾値をわずかに超えるレベルしかない場合には、画像に含まれるランダムノイズ成分の影響でどちらか一方のピークのレベルが閾値を超えずに欠陥として検出できないケースが生じるという問題があった。

本発明の目的は、差画像の欠陥部の信号レベルが閾値をわずかに超える程度しかない様な欠陥を安定して検出できるようにすることにある。

本発明では、検査に少なくとも２種類の閾値を用いる。第一の閾値に対して、所定の割合だけ低い閾値を第二の閾値として設定する。ダイ比較の場合には、まず、低い方の第二の閾値で検査チップの画像と左右のチップの画像との差画像をそれぞれ閾値判定し、検査チップの欠陥候補を求める。さらに、高い方の第一の閾値で検査チップの画像と左右のチップの画像との差画像をそれぞれ閾値判定し、先の第二の閾値による処理で欠陥候補となったもののうち、少なくとも左右どちらかのチップとの差画像で第一の閾値以上の信号がでているものを欠陥として検出する。同様に、セル比較の場合にも、差画像を、まず低い方の第二の閾値で処理して欠陥候補を求め、さらに、差画像を高い方の第一の閾値でも処理し、先の第二の閾値による処理で欠陥候補となったもののうち、２つのピークのうち少なくとも一方で第一の閾値以上の信号がでているものを欠陥として検出する。

すなわち、本発明による欠陥検査方法は、被検査物の、それぞれ同等のパターンが形成された異なる３箇所の画像を取得する工程と、第１の画像と第２の画像の差を第１の閾値で処理する第１の処理工程と、第１の画像と第２の画像の差を前記第１の閾値より小さい第２の閾値で処理する第２の処理工程と、第２の画像と第３の画像の差を第１の閾値で処理する第３の処理工程と、第２の画像と第３の画像の差を第２の閾値で処理する第４の処理工程と、第２の処理工程と第４の処理工程でともに第２の閾値を超えた画素を欠陥候補とする工程と、欠陥候補のうち、第１の処理工程と第３の処理工程の少なくとも一方で第１の閾値を超えた画素を欠陥と判定する工程とを有する。

本発明による欠陥検査方法は、また、周期構造をもった被検査物の第１の画像を用い、その周期構造の周期の整数倍だけ位置をずらした第２の画像を生成する工程と、第１の画像と第２の画像との差画像を第２の閾値で処理する工程と、その差画像に第２の閾値を超えるピークが前記位置をずらした距離と同じ間隔で２箇所に現われた場合に欠陥候補とする工程と、欠陥候補とされた２箇所のピークのうち少なくとも一方が第２の閾値より大きな第１の閾値を越えている場合に、前記ピークに対応する第１の画像の画素を欠陥として判定する工程とを有する。

本発明による外観検査装置は、被検査物の画像データを取得する画像データ取得部と、画像データ取得部で取得した第１の画像と第２の画像の差を第１の閾値で処理する第１の処理部と、第１の画像と第２の画像の差を第１の閾値より小さい第２の閾値で処理する第２の処理部と、画像データ取得部で取得した第２の画像と第３の画像の差を第１の閾値で処理する第３の処理部と、第２の画像と第３の画像の差を第２の閾値で処理する第４の処理部と、第２の処理部と第４の処理部でともに第２の閾値を超えた画素を欠陥候補とする欠陥候補判定部と、欠陥候補判定部で欠陥候補とされた画素のうち、第１の処理部と第３の処理部の少なくとも一方で第１の閾値を超えた画素を欠陥と判定する欠陥検出部とを備える。

本発明による外観検査装置は、また、被検査物の画像データを取得する画像データ取得部と、画像データ取得部で取得した被検査物の第１の画像に対して、被検査物の有する周期構造の周期の整数倍だけ位置をずらした第２の画像を生成する画像生成部と、第１の画像と第２の画像との差画像を第２の閾値で処理する処理部と、差画像に第２の閾値を超えるピークが前記位置をずらした距離と同じ間隔で２箇所に現われた場合に欠陥候補とする欠陥候補判定部と、欠陥候補とされた２箇所のピークのうち少なくとも一方が第２の閾値より大きな第１の閾値を越えている場合に、前記ピークに対応する第１の画像の画素を欠陥として検出する欠陥検出部とを備える。

本発明によれば、ダイ比較の場合では、検査チップ上の欠陥部分の左右のチップの画像との差画像上の信号のうち、左右どちらか一方のチップの画像との差画像の信号がノイズ等によって低下した場合でも、第二の閾値による閾値処理で検出できる機会を増やすことが可能になり、より安定した検出が可能になる。さらに、第二の閾値による閾値処理に第一の閾値での処理を加えることで、従来の方式で単に第二の閾値で検査するよりもノイズの影響を受けにくい検査が実現できる。また、セル比較の場合にも、同様の効果が期待できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明による外観検査装置の構成例を示す図である。被検査物１は、図２に示す例えば同じ配線パターンを形成した複数のチップ１７を有する半導体ウェハであり、この被検査物１を外観から検査するための外観検査装置２は、大きく分けて被検査物１の画像データを取得する画像データ取得部３と画像処理部４とから構成されている。

画像データ取得部３は、被検査物１を保持してＸ，Ｙ，Ｚ方向及びθ方向（Ｚ軸を中心とした回転方向）に移動させるためのステージ５と、このステージ５上の被検査物１の光学像を撮像する光学系６と、この光学系により形成された光学像を画像データに変換する撮像素子１１３とを有している。

光学系６は、光源８と、光源８からの光を集光する照明用レンズ９と、照明用レンズ９から出た光を被検査物１側ヘ導くビームスプリッタ１０と、対物レンズ１１１と、被検査物１で反射された光を集めて被検査物１の拡大像を形成する結像用レンズ１１２とを備えている。光源８は、キセノンランプや超高圧水銀ランプのようなインコヒーレント光源や、レーザ等が用いられる。従来は主に可視光の波長領域の光が用いられていたが、最近では紫外或いは深紫外領域の光も用いられる。また、撮像素子１１３としては、ＴＤＩイメージセンサ等のラインセンサや、エリヤセンサ等が用いられる。

撮像素子１１３により撮像された画像のデータは、画像処理部４に入力される。画像処理部４は、画像データを受け取る画像入力部７と、画像入力部７から送られてきた２枚の画像を比較する画像比較部１１ａ，１１ｂと、画像比較部１１ａ，１１ｂから出力された差画像データを第一の閾値で閾値処理する第一の閾値処理部５１ａ，５１ｂと、画像比較部１１ａ，１１ｂから出力された差画像データを第二の閾値で閾値処理する第二の閾値処理部５２ａ，５２ｂと、第二の閾値処理部の出力を用いて欠陥候補を判定する欠陥候補判定部１２と、欠陥候補判定部１２と第一の閾値処理部からの出力を用いて、欠陥検出を行う欠陥検出部１３とを備えている。

次に、上記構成の外観検査装置２を用いての被検査物１の検査方法を説明する。図１に示すように、被検査物１である半導体ウェハをステージ５上に載置する。この被検査物１には、同じ配線パターン等を有するチップ１７が複数形成されている。ステージ５を矢印と逆の方向に移動させながら撮像することにより、チップ１７ａ，１７ｂ，１７ｃの画像データがそれぞれ取得される。

こうして得られた３枚の画像のデータは、画像処理部４に入力される。入力された画像データは、画像入力部７を経て画像比較部１１ａ及び１１ｂに送られる。３枚の画像データ３１，３２，３３のうちの１つは、２系統に分けられ、画像比較部１１ａと画像比較部１１ｂにそれぞれ入力される。残りの２枚の画像データは、それぞれ、２つの画像比較部１１ａと画像比較部１１ｂに１枚ずつ入力される。画像比較部１１ａ，１１ｂでは、入力されたそれぞれの画像の位置ずれが補正された後、両者の差（以下、差画像データと呼ぶ）が計算される。具体的には、画像データ３１から画像データ３２を引いて差画像データ４１が、画像データ３２から画像データ３３を引いて差画像データ４２が、求められる。

こうして得られた２つの差画像データ４１，４２は、それぞれ２つずつの閾値処理部５１ａ及び５２ａ、あるいは、５１ｂ及び５２ｂに送られる。閾値処理部５１ａ及び５１ｂでは、入力された差画像データの各画素の画素値が第一の閾値を超えるか超えないか判定がなされる。また、閾値処理部５２ａ及び５２ｂでは、入力された差画像データの各画素の画素値が第二の閾値を超えるか超えないか判定がなされる。ここで、第一の閾値は従来の閾値と同等の閾値であり、第二の閾値は第一の閾値より低い閾値である。

閾値処理部５２ａ，５２ｂで閾値判定された差画像データ６２ａ，６２ｂは、欠陥候補判定部１２に送られる。欠陥候補判定部１２では、入力されたデータ６２ａ，６２ｂの両者でともに閾値を超えていると判定されている画素を欠陥候補画素と判定する。こうして得られた欠陥候補の情報は、欠陥検出部１３に送られる。欠陥検出部１３では、欠陥候補判定部１２から送られてきた欠陥候補の情報と、閾値処理部５１ａ，５１ｂで閾値判定された差画像データ６１ａ，６１ｂを元に欠陥の有無が判定される。具体的には、欠陥候補判定部１２から送られてきた欠陥候補画素のうち、データ６１ａ及び６１ｂのいずれかで閾値を超えていると判定されている画素を、欠陥部として判定する。

次に、本発明によって、欠陥の安定した検出が可能になる理由を図３を用いて説明する。

この例では、画像入力部７（図１）を経て画像比較部１１ａ及び１１ｂに送られる画像３１，３２，３３に共通のパターン３４が存在し、画像３２には暗く見える欠陥３５も存在する。これらの画像の欠陥３５を通るｘ−ｘ’断面の信号形状は、それぞれ３６，３７，３８となる。

画像比較部１１ａでは、画像３１から画像３２を引いて、さらに絶対値を取り、差画像４１が生成される。画像比較部１１ｂでも、同様に画像３２から画像３３を引いて絶対値処理し、差画像４２が生成される。これらの画像４１，４２の欠陥３５に対応する位置４３，４４を通るｘ−ｘ’断面の信号形状は、それぞれ４５，４６となる。これらの画像では、画像３２の欠陥３５に対応する位置４３及び４４は周囲より大きな画素値を持つ。この画素値をそれぞれａ及びｂとする。

差画像中４１，４２の欠陥部の画素値ａ及びｂは、様々な要因によって変動する。照明光源８の明るさ変動や画像の取得に用いられる撮像素子１１３のランダムノイズなどによって、時間的にランダムに上下する。この様子を差画像４１の信号形状４５を例に模式的に示したのが、信号形状４７及び４８である。また、画像３１〜３３の取得中のステージ５の振動によって画像にボケが生じた場合には、画素値ａあるいはｂの低下が生じる。

信号形状４５及び４６に示す様に、画素値ａ及びｂが閾値th1に近い場合には、両方とも閾値を超える場合、一方だけが閾値を超える場合、両方とも閾値を超えない場合の３通りが起こりえることになり、欠陥の検出が不安定となる。

そこで、本発明では、従来の閾値th1（これを第一の閾値とする）に加えて、それより低い第二の閾値th2を設ける。第二の閾値は、信号形状の例４７及び４８に示す様に、撮像素子１１３のノイズやステージ５の振動によって差画像の欠陥部の画素値の低下が起こっても、画素値ａ及びｂが常にその閾値を上回るように設定する。こうすることで、欠陥候補判定部１２（図１）では、常にこの様な欠陥が欠陥候補として上げられることになる。

しかし、単に低い閾値（第二の閾値）で閾値判定をするだけでは、画像中のランダムノイズによる明暗の変動が欠陥候補としてあがってくる可能性も高くなる。そこで、本発明では、欠陥検出部１３での最終的な欠陥の判定にあたって、欠陥候補判定部１２で欠陥候補に上げられた部分について、その画素値ａ及びｂを第一の閾値を用いて閾値処理した結果６１ａ及び６１ｂを参照し、欠陥の有無を判定する。具体的には、欠陥候補判定部１２で欠陥候補に上げられた部分の画素値ａあるいはｂの少なくもどちらか一方が第一の閾値を上回っている場合にのみ、その部分を欠陥と判定する。

この欠陥検出方法により、先に例としてあげた「画素値ａ及びｂが両方とも（第一の）閾値を超える場合」、「一方だけが（第一の）閾値を超える場合」、「両方とも（第一の）閾値を超えない場合」の３通りのうち、最後の場合以外ではこの様な欠陥の検出が可能になり、欠陥の検出の安定性を向上させることが可能になる。

以上、本発明の実施例では、半導体ウエハの検査を例に、特に、ダイ比較によって欠陥を検出する方法について説明したが、セル比較による欠陥検査にも本発明は適用可能である。

図４は、セル比較に適用した本発明による外観検査装置の構成例を示す図である。画像データ取得部３の撮像素子１１３から、被検査物１の繰り返し構造のある部分の画像が画像処理部４の画像入力部７０に入力される。画像入力部７０では、入力された画像データ７１を画像比較部１１に入力すると共に、入力画像を繰り返し周期の整数倍だけずらした画像を生成し、それを画像データ７２として画像比較部１１に入力する。

画像比較部１１では、画像７１から画像７２を引いて、さらに絶対値を取り、差画像７３を生成する。得られた差画像は、閾値処理部５１及び５２により、それぞれ第一の閾値及び第一の閾値より低い第二の閾値にて処理される。閾値処理部５２で閾値判定された差画像データ６２は、欠陥候補判定部１２に送られる。欠陥が１個ある場合には、差画像には画像をずらした距離だけ離れた２個のピークが現われるので、欠陥候補判定部１２では、画像をずらした距離だけ離れた位置に出現する２個のピークの両方が第二の閾値を超えているとき、対応する画素を欠陥候補画素と判定する。欠陥候補の情報は、欠陥検出部１３に送られる。欠陥検出部１３では、欠陥候補判定部１２から送られてきた欠陥候補の情報と、閾値処理部５１で閾値判定された差画像データ６１を元に欠陥の有無を判定する。具体的には、欠陥候補判定部１２から送られてきた２個のピークのうち、いずれかで第一の閾値を超えていれば対応する画素を欠陥として判定する。このように、２個のピークの両方が第二の閾値を超えており、かつ、いずれか一方が第一の閾値を超えていることを条件として欠陥検出を行うことで、ひとつの（第一の）閾値のみで欠陥検出を行う場合よりも安定した欠陥の検出が可能になる。

以上説明したように、差画像中の欠陥信号レベルが閾値をわずかに上回る程度である場合には、従来の一つの閾値（第一の閾値）による処理だけでは、ノイズ等の影響で欠陥が検出できない場合が起こりえたが、本発明のように、第一の閾値より低い第二の閾値を用いた閾値処理を併用し、かつ、欠陥に起因して差画像に現れる２つのピークのうち一方のピークだけが第一の閾値を超えればよいとすることで、ノイズ等の影響を受けにくい安定した検出が可能となる。

さらに、本発明の欠陥検出方式は、半導体ウエハに限らず、繰り返しパターンのあるものの検査、あるいは、複数の個体の外観の比較検査に適用することも可能である。また、上記の実施例では、検査対象の光学像を取得する例を示したが、本発明の欠陥検出方式は、電子線を用いて取得した画像をもとにした外観検査にも適用可能である。さらに、本発明の実施例では、ハードウエアにより画像データを処理する例を示したが、本発明の欠陥検出方式は、画像データの処理の全てあるいは一部をソフトウエアで実現する場合にも適用可能である。

本発明による外観検査装置の構成例を示す図。被検査物の例を示す平面図。本発明による画像データの処理例を示す図。本発明による外観検査装置の他の構成例を示す図。

符号の説明

１…被検査物
２…外観検査装置
３…画像データ取得部
４…画像処理部
７，７０…画像入力部
１１，１１ａ，１１ｂ…画像比較部
５１，５１ａ，５１ｂ，５２，５２ａ，５２ｂ…閾値処理部
１２…欠陥候補判定部
１３…欠陥検出部
３１，３２，３３…被検査物の画像あるいはそのデータ
４１，４２，７３…被検査物の２つの画像データから生成された差画像あるいはそのデータ

Claims

被検査物の、それぞれ同等のパターンが形成された異なる３箇所の画像を取得する工程と、
第１の画像と第２の画像の差を第１の閾値で処理する第１の処理工程と、
第１の画像と第２の画像の差を前記第１の閾値より小さい第２の閾値で処理する第２の処理工程と、
第２の画像と第３の画像の差を前記第１の閾値で処理する第３の処理工程と、
第２の画像と第３の画像の差を前記第２の閾値で処理する第４の処理工程と、
前記第２の処理工程と第４の処理工程でともに第２の閾値を超えた画素を欠陥候補とする工程と、
前記欠陥候補のうち、前記第１の処理工程と第３の処理工程の少なくとも一方で前記第１の閾値を超えた画素を欠陥と判定する工程と
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
周期構造をもった被検査物の第１の画像を用い、前記周期構造の周期の整数倍だけ位置をずらした第２の画像を生成する工程と、
前記第１の画像と第２の画像との差画像を第２の閾値で処理する工程と、
前記差画像に前記第２の閾値を超えるピークが前記位置をずらした距離と同じ間隔で２箇所に現われた場合に欠陥候補とする工程と、
前記欠陥候補とされた２箇所のピークのうち少なくとも一方が前記第２の閾値より大きな第１の閾値を越えている場合に、前記ピークに対応する前記第１の画像の画素を欠陥として判定する工程と
を有することを特徴とする欠陥検査方法。
被検査物の画像データを取得する画像データ取得部と、
前記画像データ取得部で取得した第１の画像と第２の画像の差を第１の閾値で処理する第１の処理部と、
前記第１の画像と第２の画像の差を前記第１の閾値より小さい第２の閾値で処理する第２の処理部と、
前記画像データ取得部で取得した前記第２の画像と第３の画像の差を第１の閾値で処理する第３の処理部と、
前記第２の画像と第３の画像の差を前記第２の閾値で処理する第４の処理部と、
前記第２の処理部と第４の処理部でともに前記第２の閾値を超えた画素を欠陥候補とする欠陥候補判定部と、
前記欠陥候補判定部で欠陥候補とされた画素のうち、前記第１の処理部と第３の処理部の少なくとも一方で前記第１の閾値を超えた画素を欠陥と判定する欠陥検出部と
を備えることを特徴とする外観検査装置。
被検査物の画像データを取得する画像データ取得部と、
前記画像データ取得部で取得した被検査物の第１の画像に対して、前記被検査物の有する周期構造の周期の整数倍だけ位置をずらした第２の画像を生成する画像生成部と、
前記第１の画像と第２の画像との差画像を第２の閾値で処理する処理部と、
前記差画像に前記第２の閾値を超えるピークが前記位置をずらした距離と同じ間隔で２箇所に現われた場合に欠陥候補とする欠陥候補判定部と、
前記欠陥候補とされた２箇所のピークのうち少なくとも一方が前記第２の閾値より大きな第１の閾値を越えている場合に、前記ピークに対応する前記第１の画像の画素を欠陥として検出する欠陥検出部と
を備えることを特徴とする外観検査装置。