JP5559163B2

JP5559163B2 - 多結晶ウエハの検査方法

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Publication number: JP5559163B2
Application number: JP2011515956A
Authority: JP
Inventors: 貴之松尾
Original assignee: Lossev Technology Corp
Current assignee: Lossev Technology Corp
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2030-04-21
Also published as: CN102422149B; KR101323035B1; TW201100788A; JPWO2010137431A1; TWI468674B; KR20120022993A; WO2010137431A1; CN102422149A

Description

本発明は、太陽電池用多結晶シリコンウエハなどの多結晶ウエハ内の欠陥を赤外線の透過により検査する方法に関する。

特許文献１は、シリコンウエハに赤外線を照射して、透過赤外線をＣＣＤカメラにより撮影し、そのときの撮影画像からマイクロクラックなどの欠陥を画像処理によって検出する方法を開示している。

また、特許文献２は、多結晶ウエハの表面および裏面から赤外線を照射して、表面からの赤外線反射光および裏面からの赤外線透過光を赤外線カメラにより撮影し、表裏面からの画像データの比較結果によって多結晶ウエハ内部の割れ欠陥を検出する方法を開示している。

ところが、検査対象が多結晶シリコンウエハの場合に、一般的な赤外線透過光の撮影手法によると、結晶の方向、結晶の境界やその輪郭による結晶模様も画像として取り込まれてしまうため、画像処理の過程で、結晶模様と欠陥との識別が困難となり、誤検出や欠陥の見逃しが起きやすくなっている。

日本国特開２００７−２５８５５５号公報日本国特開２００７−２１８６３８号公報

本発明は、多結晶ウエハの結晶の方向、結晶の境界やその輪郭による結晶模様を撮影過程で淡くし、多結晶ウエハ内の欠陥を確実に検出することを目的とする。

前記課題のもとに、発明者は、多結晶ウエハに対して赤外線を照射し、その透過赤外線を観測するという実験を繰り返した。その結果、以下の知見が得られた。すなわち、赤外線の照射位置で多結晶ウエハを透過してきた赤外線を直接に観測すると、撮影画像での多結晶ウエハの結晶模様を淡くできない。しかし、赤外線の照射位置と、透過した赤外線の観察位置すなわちカメラによる撮影位置とを適当な距離だけ離すと、多結晶ウエハの結晶模様を淡くでき、しかも多結晶ウエハ内の欠陥の明るさのみを他の正常な部分の明るさと異ならせることができた。本発明は、このような知見に基づいて完成された。

上記目的を達成するために、本発明によれば、以下が提供される。
（１）光軸が多結晶ウエハ上の照射位置を通過するように配置された光源から、赤外線を前記照射位置に向けて照射する工程と、
前記照射位置から入射して前記多結晶ウエハ内部で屈折及び反射を繰り返して、前記照射位置から前記多結晶ウエハの面方向に所定距離離間した前記多結晶ウエハ上の撮影位置から出射した赤外線を、前記撮影位置を撮影するカメラで撮影する工程と、
前記カメラで得られた撮影画像上で、無欠陥部分と欠陥部分の明るさの相違から前記多結晶ウエハ内の欠陥を検出する工程と、を有する多結晶ウエハの検査方法。

（２）前記撮影位置は、前記照射位置の設定される前記多結晶ウエハの面の反対側の面に設定されることを特徴とする（１）の多結晶ウエハの検査方法。
（３）前記撮影位置は、前記照射位置の設定される前記多結晶ウエハの面と同一の面に設定されることを特徴とする（１）の多結晶ウエハの検査方法。
（４）前記光源は単一の光源であり、
前記光源の光軸は、前記照射位置から前記撮影位置側に延びるように、前記多結晶ウエハの表面に対して傾斜していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかの多結晶ウエハの検査方法。
（５）前記光源は、前記撮影位置に対して略対称に配置された複数の光源であり、
各々の前記光源の前記光軸は、各々の前記照射位置から前記撮影位置側に延びるように、前記多結晶ウエハの表面に対して同一の傾斜角で傾斜していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかの多結晶ウエハの検査方法。
（６）前記光源はライン型の光源であり、
前記カメラは、ラインセンサー型のカメラであり、
前記カメラは、シリンドリカル型のレンズで集光された赤外線を検出することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかの多結晶ウエハの検査方法。
（７）前記光源は、リング型の照射領域を形成するリング型の光源であり、
前記カメラは、リング型の前記照射領域の内側を撮影領域とする、エリアセンサ型のカメラであり、
前記カメラは、拡大用のレンズで集光された前記赤外線を検出することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかの多結晶ウエハの検査方法。

本発明の多結晶ウエハの検査方法によれば、照射位置から多結晶ウエハに入射した赤外線が多結晶ウエハ内で反射や屈折を繰り返して、照射位置から多結晶ウエハの面方向に所定距離離間した多結晶ウエハ上の撮影位置から出射する。この撮影位置から出射した赤外線をカメラで撮影することで、結晶模様の淡く、欠陥の存在を明瞭に識別できる撮影画像を得ることができ、容易かつ確実に欠陥の検出をすることができる。
具体的には、多結晶ウエハに欠陥が存在しない場合は、赤外線が多結晶ウエハ内で反射や屈折を繰り返すことによって、撮影位置に到達した赤外線の強度は略均一になって結晶模様の影響をほとんど受けなくなるため、カメラで得られた撮影画像は多結晶ウエハの結晶模様を反映しない均一な明るさの画像となる。
ところが、多結晶ウエハ内に欠陥が存在する場合は、欠陥で赤外線が乱反射し、撮影位置に到達した赤外線の強度が不均一となる。したがって、カメラで得られる撮影画像上には、欠陥は、欠陥が存在しない場合と比べて明るさの異なる領域として現れる。このように、本発明によれば、カメラにより得られた撮影画像は、多結晶ウエハの結晶の方向、結晶の境界やその輪郭による結晶模様の影響をほとんど受けることがなく、欠陥のみが欠陥のない部分と明るさが異なるので、多結晶ウエハ内の欠陥を確実に検出できる。

本発明に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の側面図である。本発明に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の正面図である。多結晶ウエハの内部での赤外線の反射および屈折の状況の説明図である。本発明に係る赤外線による多結晶ウエハの撮影画像の写真である。参考例に係る赤外線による多結晶ウエハの撮影画像の写真である。本発明の変形例に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の側面図である。本発明の変形例に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の側面図である。本発明の変形例に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の側面図である。多結晶ウエハ上での検査範囲（観察範囲）の平面図である。本発明の変形例に係る多結晶ウエハの検査方法を実施するための光学系の側面図である。

図１および図２は、本発明に係る多結晶ウエハ１の検査方法を実施するための光学系を示している。図１は検査方向（多結晶ウエハ１の搬送方向）Ａが右から左に向かう状態を示す光学系の側面図であり、図２は検査方向Ａが紙面から紙面手前に向かう状態を示す光学系の正面図である。

図１，図２を参照して、本発明に係る多結晶ウエハ１の検査方法を実施するための光学系を説明する。
まず、多結晶ウエハ１の下面側に配置されたライン型の光源２から、多結晶ウエハ１の搬送方向Ａと直交する方向に延在するライン状の赤外線３を、多結晶ウエハ１のライン状の照射位置Ｐ１に向けて照射する。このとき、照射位置Ｐ１を通る光源２の光軸が多結晶ウエハ１の表面の法線ｎ１に対して傾くように光源２が配置されている。具体的には、光源２の光軸は、光源２から出射された赤外線３が照射位置Ｐ１側から撮影位置Ｐ２側に延びるように、法線ｎ１に対して傾斜角αを為している。

このようなライン型の光源２は、多数の赤外線発光ダイオードを直線的に配置したり、棒状の赤外線光源とライン状のスリットが形成された光源カバーとの組合せによって構成することができる。

照射位置Ｐ１から入射した赤外線３は、図３に模式的に示すように、多結晶ウエハ１の内部で反射および屈折を繰り返し、また、多結晶ウエハ１の表裏面で反射を繰り返して撮影位置Ｐ２に到達する。撮影位置Ｐ２に到達した赤外線３は一部が反射し、一部がそのまま多結晶ウエハ１の表面から出射される。このうち、撮影位置Ｐ２から出射した赤外線３は、その光軸７が撮影位置Ｐ２を通過するように配置されたカメラ６により撮影され、カメラ６により撮影画像が得られる。ここで、この撮影位置Ｐ２は照射位置Ｐ１から多結晶ウエハ１の面方向に所定距離Ｄ離間した位置に設定される。

本実施の形態では、カメラ６は多結晶ウエハ１に対して光源２とは反対側に配置される。なお、このカメラ６の光軸７は撮影位置Ｐ２を通り、多結晶ウエハ１の表面に対して垂直である。

ライン状に照射される赤外線３の波長は、内部欠陥の検出に適切な波長、例えば０．７μｍ〜２．５μｍの波長領域が好ましい。また、カメラ６もこの波長領域において良好な感度を有することが好ましい。

撮影位置Ｐ２は、照射位置Ｐ１から所定距離Ｄだけ離れた位置に設定されている。この距離Ｄは、多結晶ウエハ１の結晶構造やその厚みなどに応じて設定され、結晶模様が淡くなる最も良好な位置に設定される。

なお、本発明の検査方法は、厚み０．１〜０．２５ｍｍの多結晶ウエハ１を対象とすることが好ましい。多結晶ウエハ１の厚みが厚くなるほど多結晶ウエハ１内部で赤外線３が屈折したり反射したり吸収されたりして、カメラ６で撮影する赤外線３の強度が低下して鮮明な撮影画像が得られないからである。多結晶ウエハ１の厚みが薄くなると、赤外線３が撮影位置Ｐ２に到達までに起こる屈折や反射の回数が少なくなり、カメラ６で得られる撮影画像に結晶模様が残ってしまう。

また、光源２の光軸の多結晶ウエハ１の表面の法線ｎ１に対する傾斜角αは２０°以上４０°以下の範囲に設定することが好ましい。傾斜角αが２０°未満では、赤外線３が照射位置Ｐ１から所定距離Ｄだけ離れた撮影位置Ｐ２に到達するまでに要する屈折・反射の回数が大きくなり、カメラ６で撮影する赤外線３の強度が低下して鮮明な撮影画像が得られないからである。傾斜角αが２０°より大きいと逆に、赤外線３が撮影位置Ｐ２に到達するまでに要する屈折・反射の回数が少なくなり、撮影画像に結晶模様が残ってしまう。

さらに、照射位置Ｐ１と撮影位置Ｐ２との間の所定距離Ｄは１〜３ｍｍに設定することが好ましい。所定距離Ｄが１ｍｍより短いと赤外線３が撮影位置Ｐ２に到達するまでに要する屈折・反射の回数が少なくなり、撮影画像に結晶模様が残ってしまう。所定距離Ｄが３ｍｍより長いと、屈折・反射の回数が大きくなり、カメラ６で撮影する赤外線３の強度が低下して鮮明な撮影画像が得られない。

本発明の多結晶ウエハ１の検査方法においては、結晶模様の影響が少なく、かつ、鮮明な撮影画像を得られるように、上述の多結晶ウエハ１の厚み、傾斜角α、所定距離Ｄを上述の範囲内で適宜設定する。

以上のように構成される多結晶ウエハ１の検査方法を実施するための光学系において、多結晶ウエハ１の欠陥のない無欠陥領域を通過した赤外線３は、多数のランダムに存在している結晶粒の結晶方向や結晶の境界で屈折や反射を繰り返して撮影位置Ｐ２に到達する。ランダムな屈折や反射を複数回繰り返した赤外線３は、照射位置Ｐ１から所定距離Ｄ離間した撮影位置Ｐ２に到達した時には各々の結晶粒での屈折・反射の影響が相殺しあうので、カメラ６によって撮影位置Ｐ２で撮影された撮影画像は均一な明るさを有する線状の撮影画像となる。

一方、多結晶ウエハ１に欠陥４が存在する場合は上記と異なり、赤外線３は欠陥４で乱反射を起こしたり吸収されたりするため、撮影位置Ｐ２で撮影された撮影画像には欠陥４による影や明るい部分が現れる。この欠陥４による影や明るい部分は上述の無欠陥領域を通過した赤外線３によって形成される撮影画像とは明るさが異なるので、両者の明るさを比較することで欠陥４を検出することができる。

以上の工程を、多結晶ウエハ１を搬送方向Ａに送りながら連続的に繰り返し行うことにより、図４Ａ、図４Ｂに示すような面積を有する撮影画像を得ることができる。

図４Ａ，図４Ｂは、欠陥４を含む領域を透過した赤外線３を撮影したカメラ６の撮影画像を示している。
図４Ａにおいて、無欠陥領域を通過した赤外線３が形成する均一な明るさの背景画像に、欠陥４を通過した赤外線３による暗い影付きの明るい画像が形成される。したがって、均一な明るさの背景画像から明るさの異なる領域を検出することで、欠陥４を簡単かつ確実に認識できる。なお、図４Ａは、厚み０．２ｍｍの多結晶ウエハ１を欠陥検出対象とし、所定距離Ｄ＝２ｍｍ、傾斜角α＝２０°に設定して得られた撮影画像である。

なお本発明では、撮影位置Ｐ２は照射位置Ｐ１から多結晶ウエハ１の面方向に所定距離Ｄ＝２ｍｍだけ離間した位置に設定した。これと異なり、撮影位置を光源２の光軸の延長線上の所定距離Ｄが１ｍｍより短い位置Ｐ３に設定した場合は（図１参照）、充分屈折や反射を繰り返さないまま出射された赤外線３を撮影位置Ｐ３で撮影することになるので、撮影画像は結晶の境界の影響を受けた画像となる。したがって、欠陥４を含む領域を通過した赤外線３から撮影画像を形成しても、図４Ｂの如く、欠陥４により影響を受けた部分は結晶模様に埋もれてしまい、欠陥４と結晶模様との識別が困難となる。

図５は、多結晶ウエハ１の下側で、２つのライン型の光源２を撮影位置Ｐ２上の法線（カメラ６の光軸７）に対して線対称の位置に配置し、各光源２からライン状の赤外線３を多結晶ウエハ１の２箇所の照射位置Ｐ１に向けて異なる傾斜方向から照射する例である。なお、本例では各々の光源２の光軸が多結晶ウエハ１の面となす傾斜角は略同一に設定される。この例によると、前記の効果のほかに、カメラ６で検出できる赤外線３の光量が多くなり、明るい撮影画像が得られるので欠陥４の検出が容易となる。

さらに、図６は、多結晶ウエハ１を透過した赤外線３をシリンドリカル型のレンズ８により集光し、集光した赤外線３をラインセンサー型のカメラ６により検出する例である。本例では、シリンドリカル型のレンズ８は、その長手方向がライン状の赤外線３に沿うように配置され、赤外線３の像が多結晶ウエハ１の搬送方向に拡大される。

このように赤外線３がレンズ８により拡大されると、カメラ６による赤外線３の検出が容易となり、多結晶ウエハ１の連続的な移動に対しても誤検出や見逃しが少なくできる点で有利となる。ちなみに、レンズ８は、図１および図２のように光源２が単一の例にも組み込むこともできる。

なお、具体的な寸法や光学系の配置などは、多結晶ウエハ１の厚み、赤外線３の波長域、赤外線３の照射角度、カメラ６の感度などによって、適切な数値に設定される。

次に、図７は、光源２をリング型の光源とし、カメラ６をエリア型のカメラとし、光源２とカメラ６とを多結晶ウエハ１に対して異なる面側に配置した例である。リング型の光源２は、カメラ６の光軸７に対して同心状に配置されている。光源２の照射位置Ｐ１は、光源２が照射する赤外線３の光束が最も大きい位置として与えられ、光源２の円形よりもやや小さい円形である。

本例によると、撮影位置（撮影領域）Ｐ２は、エリア型のカメラ６による検出範囲であり、図８のように、リング型の光源２の内側で、照射位置Ｐ１からカメラ６の光軸７の方向に距離Ｄだけ半径の小さい円の内側となる。なお、カメラ６の対物レンズ側の拡大用凸型のレンズ８は必要に応じて配置される。また、照射位置Ｐ１はリング型のスリットにより形成することもできる。

図７の例によると、光源２からの赤外線３は、円形の照射位置Ｐ１から多結晶ウエハ１の内部に入り、屈折および反射を繰り返してカメラ６の円形の撮影位置Ｐ２の内側に到達し、エリア型のカメラ６により撮影される。

リング型の光源２により、カメラ６の全方向から多結晶ウエハ１の照射位置Ｐ１に向けて赤外線３が照射されるため、多結晶ウエハ１内の欠陥４が或る一方向から検出しにくいときでも、その欠陥４の検出が可能となる。また、エリア型のカメラ６の採用によって、多結晶ウエハ１の検査範囲（観察範囲）がライン状の検査範囲よりも大きな面として設定できるため、検査能率が向上する。

また、図９は、リング型の光源２とエリア型のカメラ６とを多結晶ウエハ１の同じ面側に配置した例である。この例でも、光源２からの赤外線３は円形の照射位置Ｐ１から多結晶ウエハ１の内部に入り、屈折および反射を繰り返して円形の撮影位置Ｐ２の内側に到達し、エリア型のカメラ６により撮影される。

なお、赤外線３が多結晶ウエハ１の表面で反射することによって撮影画像が不鮮明になるときには、赤外線３の反射光がカメラ６に直接入射しないように、カメラ６に遮光用のフード９を設置してもよい。またこの例でも、照射位置Ｐ１をリング型のスリットにより形成することもできる。

図９の例によると、照射位置Ｐ１と撮影位置Ｐ２とが多結晶ウエハ１に対して同じ面にあるから、多結晶ウエハ１内の欠陥４の部分が赤外線３に対して他の正常な部分よりも強い反射特性を有するとき、その欠陥４の検出が有効かつ容易となる。さらに照射位置Ｐ１または撮影位置Ｐ２が多結晶ウエハ１の一方の面に設定できない状態にあっても、欠陥４の検出が可能となる。

もちろん、上述の図１、図２、図５および図６の例についても、ライン型の光源２は、多結晶ウエハ１に対しカメラ６と同じ側の面に配置してもよい。

さらに、ライン型の光源２からの赤外線３は、図９に二点鎖線で例示するように、必要に応じて光ファイバーやアクリル樹脂板などの導光体を利用して、多結晶ウエハ１の４端面（４側面）のうち少なくとも１端面から多結晶ウエハ１の内部に向けて照射することもできる。

この場合は、図５、図６、図７および図９の例によると、多結晶ウエハ１の移動過程で、多結晶ウエハ１の進行方向の前側端縁部または進行方向の後ろ側端縁部が１つの光源２または光源２の一部から外れても、他の光源２または光源２の他の部分が移動中の多結晶ウエハ１の端縁部から外れていなければ、引き続き欠陥４の検出が継続できる。このため、多結晶ウエハ１の端縁部についても、欠陥４の検出が可能となる。

以上の例は、赤外線３を多結晶ウエハ１の照射位置Ｐ１に向けて傾斜方向から照射している。このため、赤外線３が結晶ウエハ１を通過する過程で、屈折および反射の機会が垂直方向の照射よりも多くなり、赤外線３が結晶模様の影響を受け難くできる。しかし、赤外線３の照射方向は、多結晶ウエハ１の照射位置Ｐ１に向けてほぼ垂直方向に設定することもできる。このように設定しても、赤外線３は多数の結晶の境界で反射されるため、垂直方向以外にも赤外線３が拡散するため、この拡散した赤外線３を撮影することで、結晶模様の影響を受けない撮影画像を得ることができる。

また、以上の例は、赤外線３を多結晶ウエハ１の照射位置Ｐ１に向け、かつ撮影位置Ｐ２に指向させて傾斜させた状態として照射している。このため、多くの赤外線３が多結晶ウエハ１を経て、撮影位置Ｐ２に向かうことになるから、撮影位置Ｐ２で必要な光量が確保できる。しかし、赤外線３が多結晶ウエハ１を経て、撮影位置Ｐ２以外の方向に向けられていたとしても、多結晶ウエハ１の内部での屈折および反射、さらに乱反射によって、撮影位置Ｐ２に撮影可能な光量が現れるため、欠陥４の検査は、原理的に可能である。

多結晶ウエハ１が検査位置で停止すれば撮影条件は良くなる。一方、シャタースピードを優先させる場合は、多結晶ウエハ１を連続的に移動させてもよい。また、多結晶ウエハ１の姿勢は、水平でなく、検査空間に応じて、垂直または傾斜状態として設定してもよい。
なお、本発明はシリコンウエハに限らず、その他の多結晶構造のウエハにも利用できる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2009年5月29日出願の日本特許出願（特願2009-130725）、及び2009年8月11日出願の日本特許出願（特願2009-186304）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明の多結晶ウエハの検査方法によれば、多結晶ウエハの結晶の方向、結晶の境界やその輪郭による結晶模様の淡く、欠陥の存在を明瞭に識別できる撮影画像を得ることができ、容易にかつ確実に欠陥の検出をすることができる。

Claims

光軸が多結晶ウエハ上の照射位置を通過するように配置された光源から、赤外線を前記照射位置に向けて照射する工程と、
前記照射位置から入射して前記多結晶ウエハ内部の結晶粒界及び欠陥で屈折及び反射を繰り返して、前記照射位置から前記多結晶ウエハの面方向に所定距離離間した前記多結晶ウエハ上の撮影位置から出射した赤外線を、前記撮影位置を撮影するカメラで撮影する工程と、
前記カメラで得られた撮影画像上で、無欠陥部分と欠陥部分の明るさの相違から前記多結晶ウエハ内の欠陥を検出する工程と、を有し、
前記撮影位置は、前記照射位置の設定される前記多結晶ウエハの面の反対側の面、または、前記照射位置の設定される前記多結晶ウエハの面と同一の面に、設定されることを特徴とする多結晶ウエハの検査方法。
前記光源は単一の光源であり、
前記光源の光軸は、前記照射位置から前記撮影位置側に延びるように、前記多結晶ウエハの表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の多結晶ウエハの検査方法。
前記光源は、前記撮影位置に対して略対称に配置された複数の光源であり、
各々の前記光源の前記光軸は、各々の前記照射位置から前記撮影位置側に延びるように、前記多結晶ウエハの表面に対して同一の傾斜角で傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の多結晶ウエハの検査方法。
前記光源はライン型の光源であり、
前記カメラは、ラインセンサー型のカメラであり、
前記カメラは、シリンドリカル型のレンズで集光された赤外線を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多結晶ウエハの検査方法。
前記光源は、リング型の照射領域を形成するリング型の光源であり、
前記カメラは、リング型の前記照射領域の内側を撮影領域とする、エリアセンサ型のカメラであり、
前記カメラは、拡大用のレンズで集光された前記赤外線を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多結晶ウエハの検査方法。
前記所定距離は、前記撮影画像に結晶模様が残らず、かつ、欠陥が識別できる鮮明な前記撮影画像が得られる距離に設定される、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の多結晶ウエハの検査方法。
前記所定距離は、前記多結晶ウエハの厚さが０．１〜０．２５ｍｍである場合には、１〜３ｍｍに設定される、請求項６に記載の多結晶ウエハの検査方法。