WO2004074822A1 - Verfahren, vorrichtung und software zur optischen inspektion eines halbleitersubstrats - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und software zur optischen inspektion eines halbleitersubstrats Download PDF

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WO2004074822A1
WO2004074822A1 PCT/EP2004/000154 EP2004000154W WO2004074822A1 WO 2004074822 A1 WO2004074822 A1 WO 2004074822A1 EP 2004000154 W EP2004000154 W EP 2004000154W WO 2004074822 A1 WO2004074822 A1 WO 2004074822A1
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semiconductor substrate
color
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calculated
pixels
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PCT/EP2004/000154
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Detlef Michelsson
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Leica Microsystems Semiconductor Gmbh
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/9501—Semiconductor wafers
    • G—PHYSICS
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    • G06T2207/30108—Industrial image inspection
    • G06T2207/30148—Semiconductor; IC; Wafer

Definitions

  • the present invention relates to a method, a device and software for the optical inspection of the surface of a semiconductor substrate and a method and a device for producing a structured semiconductor substrate using such a method or such a device.
  • Semiconductor components are usually manufactured in a large number of process steps. Thin layers are repeatedly applied to the surface of a semiconductor substrate, for example
  • Photoresist layers thin metallizations or dielectric layers. To achieve a high and constant quality, it is necessary that the thin layers can be applied with constant quality. In modern semiconductor technology, a large number of semiconductor components are usually produced on a single wafer. Separate
  • Sub-areas of the wafer are exposed using a stepper and the exposure step is repeated several times.
  • a constant quality of the exposure requires a homogeneous surface coating, in particular the application of a homogeneous photoresist layer on the wafer. It is therefore desirable to be able to assess the quality of thin layers on a semiconductor substrate, in particular their homogeneity, in a simple manner.
  • the object of the present invention is to provide a method, a software program and a device for the optical inspection of the surface of a semiconductor substrate in order to be able to detect process errors in the application of thin layers on a semiconductor substrate even more reliably. Furthermore, a method and a device for producing a structured semiconductor substrate are to be created in order to create semiconductor components of consistently high quality.
  • Embodiments are the subject of the related subclaims.
  • an image of the surface of the semiconductor substrate is recorded according to the invention, which image is made up of a plurality of pixels with at least three assigned intensities of different wavelengths, which are referred to as color values
  • Color values are calculated by transforming them into a color space spanned by an intensity and by color coordinates, a frequency distribution of pixels with the same color coordinate values, and the calculated value is calculated in this way Frequency distribution is used for a comparison with a second calculated frequency distribution or a quantity derived from this.
  • the result of the comparison is independent of the intensity of the light reflected from the surface of the semiconductor substrate and therefore independent of lighting fluctuations, because the intensity of the pixels need not be taken into account when calculating the frequency distributions.
  • process errors when applying thin layers on a semiconductor substrate can therefore be detected even more reliably.
  • Process errors can result in inhomogeneities in the thickness of the layers, for example, or layers can be missing.
  • Process errors can also be caused by defocusing when exposing the semiconductor substrate.
  • the intensity of the illumination used for image recording can be changed according to the invention, for example to resolve different defects on the surface of the semiconductor substrate, without this having a significant effect on the calculated frequency distribution. Different angles of incidence can be used for the illumination, provided that the angle is the same as when teaching in with a reference wafer.
  • Color space spanned by an intensity and two color coordinates spanned by an intensity and two color coordinates.
  • the present invention is not limited to this. Instead of 3-dimensional spaces, the present invention can basically also be applied to higher-dimensional spaces. For example, four color values can also be assigned to the pixels.
  • a conventional color image sensor of suitable spectral sensitivity for example a color camera, video camera, a CCD sensor or one-dimensional color lines, can be used for image acquisition in order to generate a digital image, built up from pixels with assigned color values.
  • RGB components are very particularly preferably assigned to the pixels, which overall span a three-dimensional space. Instead of the RGB components, it is also possible to use intensities at three other wavelengths, which are entirely or in part also in the ultraviolet and / or infrared wavelength range of the light.
  • Corresponding “color” image sensors of suitable spectral sensitivity are used for this.
  • the color image sensor is used to take a macroscopic image of the entire surface of the semiconductor substrate or a suitable subarea thereof.
  • the image recording area of the color image sensor can also be changed, for example in adaptation to the requirements of the comparison to be carried out in each case.
  • the color image sensor can be coupled to a suitable imaging device, for example a microscope.
  • the second frequency distribution used for the comparison can, for example, be calculated and stored on the basis of at least one image of a reference wafer of satisfactory quality.
  • the second frequency distribution can also be calculated on the basis of at least one image recording of a second wafer, for example originating from a current process batch, or a part thereof.
  • the second frequency distribution can also be calculated on the basis of at least one image recording of a region of the wafer currently to be inspected. It is also possible to compare the frequency distribution from the image recordings of the reference wafer and the current wafer, which means that local and global color variations can be detected at the same time. It is advantageous that the method according to the invention can be adapted very flexibly to the respective requirements of the comparison to be carried out.
  • the RGB components of the pixel color values are preferably transformed into the color space using a linear transformation, which helps to save computing time. It also makes it easier to compare color deviations or color shifts derived from the comparison.
  • the one used for comparison is preferred
  • Frequency distribution and / or the second frequency distribution are calculated by summing up a frequency of occurrence of pixels with the same color coordinate values in the color space.
  • the frequency distribution preferably corresponds to a two-dimensional histogram in the color space used.
  • the color space used is a YUV color space, where Y corresponds to the light intensity or luminance of the pixels and Y is not taken into account for the calculation of the frequency distribution itself. It is advantageous that the YUV color space is used in the prior art for coding color images and color videos. Therefore, efficient and inexpensive chips for digital video image processing and also image compression hardware are available for the method according to the invention.
  • the present invention is not restricted to the use of a YUV color space. Rather, other color spaces known from the prior art can also be used, for example the YlQ color space, YCbCr color space or the like. However, a linear transformation of the pixel color values into the color space is particularly preferably used for the transformation.
  • the frequency distribution calculated in the color space and used for the comparison is preferably smoothed by using a filter, for example a box filter. It is advantageous that noise caused by fluctuations in the frequency distribution can thus be suppressed or at least reduced, which further increases the accuracy of the method.
  • a multiplicity of semiconductor components or dies are simultaneously produced on a wafer in semiconductor technology.
  • the frequency distributions are preferred, for example in adaptation to the respective requirements, optionally on the basis of image recordings of at least one semiconductor substrate comprising a plurality of semiconductor components or this or of a surface area (SAW) exposed in a stepper exposure step Semiconductor substrate or calculated from a single die or from a sub-area of a die.
  • SAW surface area
  • the areas used for the image recordings can preferably also be combined as desired to calculate the first and second frequency distribution.
  • the first frequency distribution can be calculated based on an image capture from a single die or a SAW, while the second frequency distribution based on image capture from the entire surface of a reference wafer. This enables the quality of individual semiconductor components of a wafer to be compared with a reference wafer.
  • the second frequency distribution is calculated based on an image of a second die on the same wafer. This enables the quality of individual semiconductor components on the same wafer to be compared with one another, for example from adjacent semiconductor components or selected components on the semiconductor substrate or wafer.
  • a center of gravity is calculated for the comparison from the calculated frequency distribution and the position of the center of gravity is compared with the position of the center of gravity of the second frequency distribution in order to determine a color shift for the semiconductor substrate from which conclusions can be drawn, for example on systematic fluctuations in the thickness of thin layers on the same semiconductor substrate.
  • the second frequency distribution can be calculated on the basis of an image recording from a reference wafer or, for example, from an adjacent semiconductor component on the surface of the same semiconductor substrate.
  • the Focal points in the color space used represent simple coordinate values that can be easily compared with one another. Therefore, color shifts can be reliably determined with high accuracy.
  • the calculated frequency distribution is subtracted from the second frequency distribution for the comparison, so as to determine differences in the color distribution for the semiconductor substrate.
  • the second frequency distribution can be calculated on the basis of an image recording from a reference wafer or, for example, from an adjacent semiconductor component on the surface of the same semiconductor substrate. It is advantageous that differences in the frequency distributions can be detected and resolved more easily by forming the difference. To emphasize such differences, the difference can also be further amplified, for example, by multiplying by a predeterminable factor.
  • first and second embodiments can also be combined with one another.
  • an alarm signal, a size or the like can be generated if the color shift determined according to the first embodiment and / or the differences in color distribution determined according to the second embodiment for a semiconductor substrate exceed a predetermined threshold value.
  • the alarm signal, the size generated or the like can thus be used for an automated evaluation of the inspection method, for example in a device for producing a structured semiconductor substrate, for example in a semiconductor production line which is basically known from the prior art.
  • the threshold value used can be calculated by averaging frequency distributions of surface areas which are arranged on a wafer in a predetermined geometric arrangement.
  • any i-th moments of the calculated frequency distributions can also be used for the comparison, where i is an integer and i ⁇ 1.
  • a device for optical inspection of the surface of a semiconductor substrate thus comprises a suitable image sensor with suitable spectral sensitivity, for example a color camera, video camera or CCD sensor, suitable computing means, for example microprocessors, special processors or the like, and suitable comparison means, for example microprocessors , Special processors or the like.
  • the method according to the invention can be carried out with the aid of software or a computer program which comprises program code means in order to carry out the method steps according to the invention if the software or the computer program is executed on a computer or other suitable data processing means in order to and control comparison means.
  • the software or the computer program preferably comprises program code means which are stored on a computer-readable data carrier.
  • Fig. 1 is a schematic block diagram of an apparatus for
  • Fig. 2 shows the spectral sensitivity of a sensor camera
  • FIG. 3 shows a two-dimensional histogram in a YUV color space, which is calculated with the aid of the device shown in FIG. 1;
  • Fig. 4 shows the two-dimensional histogram according to FIG. 3 after a
  • FIG. 5 shows the two-dimensional histogram according to FIG. 3, which is overlaid with a second histogram
  • Center of gravity is identical to the center of gravity of the two-dimensional histogram according to FIG. 3;
  • FIG. 6 schematically shows an arrangement of a semiconductor substrate and a camera.
  • the method according to the invention is used for optical inspections of the surface of a semiconductor substrate 21, for example a semiconductor wafer, the surface of which is coated with one or more thin layers, for example a photoresist layer, a metallization, a dielectric layer or the like. Interference effects give the surface a color that depends on the thickness of the thin layer. The thickness of the thin layer can thus be deduced from the light reflected from the surface. Color variations of the reflected light intensity can be used to determine inhomogeneities in the thickness of the thin layer.
  • the surface of the semiconductor substrate 21 or part of the surface for example a so-called stepper area window (hereinafter SAW), which comprises a plurality of dies or semiconductor components, is an area with one or more dies or part of a die, macroscopically recorded.
  • SAW stepper area window
  • the image information is made up of a plurality of pixels with assigned color values and intensities.
  • 2 shows the spectral sensitivity of a sensor camera 1, which detects light at three different wavelengths in the visible spectral range, namely in the colors red, green and blue.
  • the color camera 1 supplies three intensity values for each point of the color image. The value of each channel depends on the spectral sensitivity of the individual sensor and the incident light.
  • 2 shows the spectral sensitivity of a 3-sensor camera 1 whose sensors A, B and C are sensitive to visible light.
  • sensors A, B and C deliver the following intensities:
  • the image information is input to an image processing means 2, which transforms the RGB components of the image information into the YUV color space.
  • the YUV color space forms the basis of the color coding for the television standards used in Europe and is known to be composed of the RGB components of the image information as follows:
  • the Y components represent the luminance.
  • the YUV color space is thus spanned from the intensities and the color coordinates U, V.
  • the Y component is not taken into account in the further processing of the image information, which is indicated in FIG. 1 by the non-solid arrow between blocks 2 and 3.
  • the remaining U and V color coordinate values span a two-dimensional chromatic space.
  • the frequency of the occurrence of a pixel with the same U and W values for the respective recorded image area is added up with the aid of the computing means 3.
  • the frequency distribution 12 (histogram) shown in FIG. 3 is thus calculated in the two-dimensional chromaticity space.
  • the frequency distribution 12 has two peaks 13, 14 and an adjacent peak 15, which is due to image artifacts.
  • the calculated frequency distribution Due to the limited resolution in digital image processing, the calculated frequency distribution has 12 discrete gradations. Depending on the resolution used, for example 8-bit, a discrete noise is superimposed on the calculated frequency distribution 12, which could interfere with subsequent comparison operations and which leads to the double peaks 13, 14 in FIG. 3.
  • the calculated frequency distribution 12 is smoothed using the filter means 4, for example using a box filter.
  • Suitable alternative filter algorithms will be apparent to the person skilled in the art when studying this description and do not require any further explanations.
  • FIG. 4 schematically shows the smoothed frequency distribution 12 according to FIG. 3.
  • the center of gravity of the calculated frequency distribution 12 expressed in U and V color coordinates, can be determined with the aid of further computing means 5.
  • each location corresponds to a color of the reflected light intensity. If the light is reflected in multiple colors, the smoothed frequency distribution 12 has more than one peak.
  • the method uses a second frequency distribution (reference 2D histogram).
  • the second frequency distribution is calculated based on light reflected from a reference area, depending on the requirements of the method, optionally based on light coming from a reference wafer with good surface properties or a surface portion thereof. is reflected from a surface area (SAW) of the reference wafer or the same semiconductor substrate 21 exposed in a stepper exposure step, from a single die or a section thereof of a reference wafer or the same semiconductor substrate 21.
  • SAW surface area
  • the calculation is carried out in the manner described above, in particular using identical or comparable lighting conditions and / or a smoothing step.
  • the second frequency distribution can be stored in a memory area.
  • the position of the center of gravity can also be calculated for the second frequency distribution in the manner described above (reference center of gravity).
  • this color shift is determined by block 9 by forming the difference between the two focal points.
  • this color shift can be used in the downstream block 10 for determining local color defects or in the downstream block 11 for determining global color defects.
  • Local color defects for example caused by a local bulging of the thin layer due to a dust particle, can be determined, for example, by comparing the frequency distributions of two local surface areas of one and the same wafer or based on the occurrence of an additional peak in the frequency distribution 12 of the semiconductor substrate 21 to be tested.
  • Global color defects lead to a systematic color shift of the peak or all peaks of the semiconductor substrate 21 to be tested compared to a reference wafer. Systematic color shifts occur with changed layer thicknesses as well as with missing layers or with wrong layers due to the use of an incorrect reticle.
  • the frequency distribution 12 calculated for the semiconductor substrate 21 to be tested can also be shifted by the block 6 such that its center of gravity coincides with the reference center of gravity.
  • the shifted frequency distribution 12 calculated for the semiconductor substrate 21 to be tested can also be shifted by the block 6 such that its center of gravity coincides with the reference center of gravity.
  • Frequency distribution 12 compared with the second frequency distribution (reference 2D histogram).
  • the two frequency distributions can be superimposed on one another in block 7.
  • an additional peak can occur in the frequency distribution 12 of the semiconductor substrate 21 to be tested after the superimposition, which can lead to two unequal peaks in the superimposed total frequency distribution 12, comparable to the distribution 12 according to FIG. 5 ,
  • the two frequency distributions can also be subtracted from one another in block 7.
  • the remaining difference can be amplified by multiplication by a predeterminable factor. As a result, even small differences in the color distribution 12 can be determined. This is shown schematically in FIG. 5, where the resulting frequency distribution 2 has a sloping shoulder 20 and two peaks 17, 18.
  • the aforementioned reference areas which are used to calculate the reference frequency distribution 12, can also be arranged in a predetermined geometric arrangement on the reference wafer or on the semiconductor substrate 21 to be tested.
  • inhomogeneities inherent in the thickness of the thin layer applied can occur during a process step.
  • a spin coating of a photoresist layer can lead to a radial dependence of the thickness of the applied photoresist layer.
  • the size and geometric shape of the reference area can also be varied according to the invention.
  • the method described above is generally suitable for rapid, fully automated image evaluation.
  • the method can thus be combined with a method for producing structured semiconductor substrates 21, in which the surface of the semiconductor substrate 21 is checked between two process steps and in the event that the determined color shift or the determined differences in the
  • These measures can consist, for example, in that the semiconductor substrate 21 which has just been tested or parts thereof which have been found to be defective are discarded in a subsequent process step, or that the surface of the semiconductor substrate 21 is freed from the thin layer which is found to be defective, for example by Rinse off the photoresist layer just applied, and coat it with a new thin layer before the subsequent process step, and check it until the applied layer is found to be of sufficient quality.
  • ADI after development inspection
  • an alarm signal, a size or the like can be generated in the method according to the invention in the event that a predeterminable threshold value is exceeded, which is forwarded to a CPU of the semiconductor production line in order to initiate the aforementioned measures.
  • the method according to the invention can also be used to determine other causes of inhomogeneities in the production of semiconductor components. It was found by the inventor that defocusing in the stepper exposure leads to a change in the color distribution of an individual SAW due to a different type of surface coating on the semiconductor substrate 21. Defocussing during stepper exposure in a single SAW can only be detected in the prior art in a comparatively complex manner.
  • the errors occurring can also be systematically distinguished as follows. This can be used to sort out individual semiconductor components or dies. For example, systematic global process errors can be distinguished from local errors. Because in the event that due to a
  • the frequency distribution 12 for the wafer to be tested is calculated for a respective die or a sub-area thereof.
  • a suitable choice of the image recording area used for calculating the frequency distribution 12 for the wafer to be tested and the reference area used for calculating the reference histogram make it possible, according to the invention, to flexibly meet the most varied requirements in semiconductor production.
  • the image sensor detects intensities at different wavelengths in the visible spectral range
  • the intensities can also be partially or all detected in other, also invisible spectral ranges.
  • the image sensor can also detect intensities in the infrared, near infrared and / or ultraviolet spectral range. Suitable imaging optics and elements for Use in these spectral ranges will be readily apparent to the person skilled in the art when studying this application.
  • the method according to the invention can be implemented with the aid of software or a computer program with program code means for carrying out the aforementioned method steps, which are carried out when the software or the computer program is executed on a computer or other suitable data processing means, for example on a microprocessor.
  • the software or the computer program can be stored on a computer-readable data carrier, for example on a ROM, EPROM, EEPROM, a CD-ROM, a DVD, a magnetic tape carrier or the like.
  • Suitable hardware components for performing the aforementioned arithmetic operation will be apparent to those skilled in the art upon studying the foregoing description and may include microprocessors, ASICs, or special signal processing processors.
  • FIG. 6 schematically shows a wafer 21 which is located on a scanning table 22 and whose surface is recorded by means of a camera 1 (image sensor).
  • the entire surface can be recorded at once or only a part of the surface of the wafer 21. In the latter case, the surface is scanned when the entire surface is to be examined.
  • an x-y scanning table 22 is used, which can be moved in the coordinate directions x and y.
  • the camera 1 is permanently installed opposite the scanning table 22.
  • the scanning table 22 can also be permanently installed and the camera 1 can be moved over the wafer 21 for the image recordings.
  • a combination of the movement of the camera 1 in one direction and the scanning table 22 in the direction perpendicular thereto is also possible.
  • the wafer 21 is illuminated with an illumination device 23, which illuminates at least parts of the wafer surface, for example a SAW, as above already mentioned.
  • the lighting is concentrated on the SAW.
  • pulsing can also be carried out with a flash lamp, so that image recordings are possible on-the-fly, in which case the scanning table 22 or the camera 1 are moved without stopping for the image acquisition. This enables a high wafer throughput.
  • the relative movement between the scanning table 22 and the camera 1 can also be stopped for each image recording and the wafer 21 can also be illuminated in its entire surface.
  • Scanning table 22, camera 1 and lighting device 23 are controlled by a control unit 24.
  • the image recordings can be stored in a computer 25 and possibly also processed there.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats. Von der Oberfläche des mit einer dünnen Schicht überzogenen Halbleitersubstrats wird ein Bild aufgenommen (1), das aus einer Mehrzahl von Bildpunkten mit zugeordneten Farbwerten und Intensitäten aufgebaut ist. Aus den Farbwerten wird in einem Farbraum (2), der von einer Farbintensität und von Farbkoordinaten aufgespannt wird, eine Häufigkeitsverteilung von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten berechnet (3,4,5). Die so berechnete Häufigkeitsverteilung wird für einen Vergleich mit einer zweiten entsprechend berechneten Häufigkeitsverteilung oder einer aus dieser abgeleiteten Grösse verwendet (7, 9). Erfindungsgemäss lassen sich so Farbverschiebung (9) und/oder Differenzen (7) in der Farbverteilung unabhängig von Schwankungen in der Helligkeit der Beleuchtung ermitteln. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens bzw. der vorgenannten Vorrichtung sowie eine Software zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Verfahren. Vorrichtung und Software zur optischen Inspektion eines Halbleitersubstrats
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Software zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats unter Verwendung eines solchen Verfahrens bzw. einer solchen Vorrichtung.
Halbleiterbauelemente werden üblicherweise in einer Vielzahl von Prozessschritten hergestellt. Dabei werden wiederholt dünne Schichten auf die Oberfläche eines Halbleitersubstrats aufgetragen, beispielsweise
Fotolackschichten, dünne Metallisierungen oder dielektrische Schichten. Zur Erzielung einer hohen und gleich bleibenden Qualität ist es erforderlich, dass die dünnen Schichten mit konstanter Qualität aufgetragen werden können. In der modernen Halbleitertechnologie werden üblicherweise eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen auf einem einzigen Wafer hergestellt. Einzelne
Unterbereiche des Wafers werden mit Hilfe eines Steppers belichtet und der Belichtungsschritt mehrfach wiederholt. Eine gleich bleibende Qualität der Belichtung erfordert eine homogene Oberflächenbeschichtung, insbesondere das Auftragen einer homogenen Fotolackschicht auf den Wafer. Es ist deshalb wünschenswert, die Qualität von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat, insbesondere deren Homogenität, in einfacher Weise beurteilen zu können.
Auf Grund von Interferenzeffekten reflektieren dünne Schichten Licht farbig. Wird die Oberfläche eines mit dünnen Schichten überzogenen Halbleitersubstrats beleuchtet und das reflektierte Licht analysiert, lassen sich deshalb Inhomogenitäten in der Schichtdicke als Farbvarianzen detektieren. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, aus makroskopischen Aufnahmen der Oberfläche eines mit dünnen Schichten überzogenen Halbleitersubstrats Mittelwerte und Streuungen der Farbe zu bestimmen und diese untereinander und mit einem Referenz-Wafer zu vergleichen. Schwankungen in der Helligkeit der Beleuchtung führen jedoch zu Schwankungen in der Helligkeit des reflektierten Lichts, so dass die Mittelwerte für die Farben im RGB- Farbraum grundsätzlich von der Helligkeit abhängen. Außerdem beschreiben Mittelwert und Streuung nur einen Teil der auftretenden Farbveränderungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Softwareprogramm und eine Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats zu schaffen, um Prozessfehler beim Aufbringen von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat noch zuverlässiger detektieren zu können. Ferner soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats geschaffen werden, um Halbleiterbauelemente von gleich bleibend hoher Qualität zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. 13 oder 14, durch ein Software-Programm nach Anspruch 28 zur Durchführung des Verfahrens sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 15 bzw. 26 oder 27. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Zur optischen Inspektion der Oberfläche eines mit einer dünnen Schicht versehenen Halbleitersubstrats wird erfindungsgemäß von der Oberfläche des Halbleitersubstrats ein Bild aufgenommen, das aus einer Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge, die als Farbwerte bezeichnet werden, aufgebaut ist, wird aus den Farbwerten durch Transformation in einen Farbraum, der von einer Intensität und von Farbkoordinaten aufgespannt wird, eine Häufigkeitsverteilung von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten berechnet und wird die so berechnete Häufigkeitsverteilung für einen Vergleich mit einer zweiten berechneten Häufigkeitsverteilung oder einer aus dieser abgeleiteten Größe verwendet.
Vorteilhaft ist, dass das Ergebnis des Vergleichs unabhängig von der Intensität des von der Oberfläche des Halbleitersubstrats reflektierten Lichts und somit unabhängig von Beleuchtungsschwankungen ist, weil die Intensität der Bildpunkte bei der Berechnung der Häufigkeitsverteilungen nicht berücksichtigt zu werden braucht. Erfindungsgemäß können deshalb Prozessfehler beim Aufbringen von dünnen Schichten auf einem Halbleitersubstrat noch zuverlässiger detektiert werden. Durch Prozessfehler können beispielsweise Inhomogenitäten in der Dicke der Schichten entstehen oder Schichten fehlen. Prozessfehler können auch durch Defokussieren beim Belichten des Halbleitersubstrats hervorgerufen werden. Insbesondere kann erfindungsgemäß die Intensität der zur Bildaufnahme verwendeten Beleuchtung verändert werden, beispielsweise zur Auflösung unterschiedlicher Defekte auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats, ohne dass sich dies wesentlich auf die berechnete Häufigkeitsverteilung auswirkt. Verschiedene Einfallswinkel können bei der Beleuchtung verwendet werden, sofern der Winkel derselbe ist wie beim Einlernen mit einem Referenz-Wafer.
Ganz besonders bevorzugt sind den Bildpunkten jeweils drei Farbwerte, d.h. Intensitäten bei unterschiedlichen Wellenlängen, zugeordnet und wird der
Farbraum von einer Intensität und von zwei Farbkoordinaten aufgespannt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Statt auf 3- dimensionale Räume kann die vorliegende Erfindung vielmehr grundsätzlich auch auf höher-dimensionale Räume Anwendung finden. Beispielsweise können den Bildpunkte auch vier Farbwerte zugeordnet sein.
Zur Bildaufnahme kann ein üblicher Farbbildsensor geeigneter spektraler Empfindlichkeit, beispielsweise eine Farbkamera, Videokamera, ein CCD- Sensor oder eindimensionale Farbzeilen, verwendet werden, um ein digitales Bild, aufgebaut aus Bildpunkten mit zugeordneten Farbwerten, zu erzeugen. Ganz besonders bevorzugt sind den Bildpunkten jeweils RGB-Komponenten zugeordnet, die insgesamt einen dreidimensionalen Raum aufspannen. Anstelle der RGB-Komponenten können auch Intensitäten bei drei anderen Wellenlängen verwendet werden, die vollständig oder zu einem Teil auch im ultravioletten oder / und infraroten Wellenlängenbereich des Lichtes liegen. Hierfür werden entsprechende „Farb"-Bildsensoren geeigneter spektraler Empfindlichkeit eingesetzt.
Der Farbbildsensor wird je nach den Anforderungen dazu verwendet, um ein makroskopisches Bild der gesamten Oberfläche des Halbleitersubstrats oder eines geeigneten Unterbereichs davon aufzunehmen. Zu diesem Zweck kann der Bildaufnahmebereich des Farbbildsensors auch verändert werden, beispielsweise in Anpassung an die Erfordernisse des jeweils auszuführenden Vergleichs. Der Farbbildsensor kann mit einer geeigneten Abbildungsvorrichtung, beispielsweise Mikroskop, gekoppelt sein.
Die zum Vergleich verwendete zweite Häufigkeitsverteilung kann beispielsweise auf der Gundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines Referenz-Wafers von zufriedenstellender Qualität berechnet und abgespeichert werden. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auch auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines zweiten, beispielsweise aus einer aktuellen Prozesscharge stammenden, Wafers oder eines Teils davon berechnet werden. Ferner kann die zweite Häufigkeitsverteilung auch auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines Bereichs des aktuell zu inspizierenden Wafers berechnet werden. Zudem ist auch der Vergleich der Häufigkeitsverteilung aus den Bildaufnahmen des Referenz- Wafers und des aktuellen Wafers möglich, wodurch gleichzeitig lokale und globale Farbvariationen detektiert werden können. Vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemässe Verfahren sehr flexibel an die jeweiligen Erfordernisse des auszuführenden Vergleichs angepasst werden kann.
Bevorzugt werden die RGB-Komponenten der Bildpunkt-Farbwerte unter Verwendung einer linearen Transformation in den Farbraum transformiert, was Rechenzeit sparen hilft. Außerdem lassen sich so aus dem Vergleich abgeleitete Farbabweichungen oder Farbverschiebungen besser miteinander vergleichen. Bevorzugt wird die zum Vergleich verwendete Häufigkeitsverteilung und/oder die zweite Häufigkeitsverteilung durch Aufsummieren einer Häufigkeit des Auftretens von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten in dem Farbraum berechnet. Bevorzugt entspricht die Häufigkeitsverteilung einem zweidimensionalen Histogramm in dem verwendeten Farbraum.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der verwendete Farbraum ein YUV-Farbraum, wobei Y der Lichtintensität bzw. Luminanz der Bildpunkte entspricht und Y für die Berechnung der Häufigkeitsverteilung selbst nicht berücksichtigt wird. Vorteilhaft ist, dass der YUV-Farbraum im Stand der Technik zur Kodierung von Farbbildern und Farbvideos verwendet wird. Deshalb stehen effiziente und kostengünstige Chips zur digitalen Videobildverarbeitung und auch Bildkomprimierungs-Hardware für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung.
Grundsätzlich ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die Verwendung eines YUV-Farbraums beschränkt. Vielmehr können auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Farbräume verwendet werden, beispielsweise der YlQ-Farbraum, YCbCr-Farbraum oder dergleichen. Besonders bevorzugt wird jedoch zur Transformation eine lineare Transformation der Bildpunkt- Farbwerte in den Farbraum verwendet.
Werden die Farbwerte nicht bei den Farben rot (R), grün (G) und blau (B) des RGB-Farbraums sondern in anderen spektralen Bereichen detektiert, so können erfindungsgemäß grundsätzlich vergleichbare mathematische Transformationen zur Transformation der Farbwerte in den auszuwertenden Farbraum verwendet werden.
Bevorzugt wird die in dem Farbraum berechnete und für den Vergleich verwendete Häufigkeitsverteilung durch Verwendung eines Filters, beispielsweise eines Box-Filters, geglättet. Vorteilhaft ist, dass somit ein durch Schwankungen in der Häufigkeitsverteilung hervorgerufenes Rauschen unterdrückt oder zumindest gemindert werden kann, was die Genauigkeit des Verfahrens noch weiter erhöht. Bekanntermaßen werden in der Halbleitertechnologie auf einem Wafer gleichzeitig eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies hergestellt. Erfindungsgemäß werden bevorzugt, beispielsweise in Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse, die Häufigkeitsverteilungen wahlweise auf der Grundlage von Bildaufnahmen von zumindest einem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies umfassenden Halbleitersubstrat oder von einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (stepper area window; SAW) des Halbleitersubstrats oder von einem einzelnen Die oder von einem Unterbereichs eines Dies berechnet. Die für die Bildaufnahmen verwendeten Bereiche können zur Berechnung der ersten und zweiten Häufigkeitsverteilung bevorzugt auch beliebig kombiniert werden. Beispielsweise kann die erste Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem einzelnen Die oder einem SAW berechnet werden, während die zweite Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage einer Bildaufnahme von der gesamten Oberfläche eines Referenz-Wafers berechnet wird. Dies erlaubt den Vergleich der Qualität einzelner Halbleiterbauelemente eines Wafers mit einem Referenz-Wafer. Oder die zweite Häufigkeitsverteilung wird alternativ auf der Grundlage einer Bildaufnahme eines zweiten Dies auf demselben Wafer berechnet. Dies erlaubt den Vergleich der Qualität einzelner Halbleiterbauelemente auf ein und dem selben Wafer untereinander, beispielsweise von benachbarten Halbleiterbauelementen oder ausgewählten Bauelementen auf dem Halbleitersubstrat bzw. Wafer.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird für den Vergleich aus der berechneten Häufigkeitsverteilung ein Schwerpunkt berechnet und die Lage des Schwerpunktes mit der Lage des Schwerpunktes der zweiten Häufigkeitsverteilung verglichen, um für das Halbleitersubstrat eine Farbverschiebung zu ermitteln, aus der sich Rückschlüsse, beispielsweise auf systematische Schwankungen der Dicke von dünnen Schichten auf dem selben Halbleitersubstrat, gewinnen lassen. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem Referenz-Wafer oder beispielsweise von einem benachbarten Halbleiterbauelement auf der Oberfläche desselben Halbleitersubstrats berechnet werden. Die Schwerpunkte in dem verwendeten Farbraum stellen einfache Koordinatenwerte dar, die ohne weiteres miteinander verglichen werden können. Deshalb lassen sich Farbverschiebungen mit hoher Genauigkeit zuverlässig ermitteln.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird für den Vergleich die berechnete Häufigkeitsverteilung von der zweiten Häufigkeitsverteilung subtrahiert, um so für das Halbleitersubstrat Differenzen in der Farbverteilung zu ermitteln. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann auf der Grundlage einer Bildaufnahme von einem Referenz-Wafer oder beispielsweise von einem benachbarten Halbleiterbauelement auf der Oberfläche desselben Halbleitersubstrats berechnet werden. Vorteilhaft ist, dass durch die Differenzbildung Unterschiede in den Häufigkeitsverteilungen leichter detektiert und aufgelöst werden können. Zum Hervorheben solcher Unterschiede kann die Differenz beispielsweise auch durch Multiplikation mit einem vorgebbaren Faktor weiter verstärkt werden.
Selbstverständlich können die erste und zweite Ausführungsform auch miteinander kombiniert werden.
Weiterhin kann ein Alarmsignal, eine Größe oder dergleichen erzeugt werden, wenn die gemäß der ersten Ausführungsform ermittelte Farbverschiebung und/oder die gemäß der zweiten Ausführungsform ermittelten Differenzen in der Farbverteilung für das Halbleitersubstrat einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten. Das Alarmsignal, die erzeugte Größe oder dergleichen kann somit für eine automatisierte Auswertung des Inspektionsverfahrens herangezogen werden, beispielsweise in einer Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats etwa in einer aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannten Halbleiterfertigungsstraße.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der verwendete Schwellenwert durch Mittelung von Häufigkeitsverteilungen von Oberflächenbereichen berechnet werden, die auf einem Wafer in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt wird hierbei eine radiale Verteilung der verwendeten Oberflächenbereichen verwendet. Somit kann Effekten in einfacher Weise Rechnung getragen werden, die zu inhomogenen Schichtdicken mit radialer Abhängigkeit auf einem Wafer führen, beispielsweise aufgrund des Aufzentrifugierens einer Fotolackschicht (Spin-Coating).
Selbstverständlich können für den Vergleich auch beliebige i-te Momente der berechneten Häufigkeitsverteilungen verwendet werden, wobei i eine Ganzzahl ist und i≥1 gilt.
Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst eine Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats somit einen geeigneten Bildsensor geeigneter spektraler Empfindlichkeit, beispielsweise Farbkamera, Videokamera oder CCD-Sensor, geeignete Rechenmittel, beispielsweise Mikroprozessoren, Spezial-Prozessoren oder dergleichen, und geeignete Vergleichsmittel, beispielsweise Mikroprozessoren, Spezial-Prozessoren oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe von Software bzw. eines Computerprogramms ausgeführt werden, das Programmkodemittel umfasst, um die erfindungsgemäßen Verfahrenschritte auszuführen, wenn die Software bzw. das Computerprogramm auf einem Computer oder anderen geeigneten Datenverarbeitungsmittel ausgeführt wird, um die Rechen- und Vergleichsmittel zu steuern. Bevorzugt umfasst die Software bzw. das Computerprogramm Programmkodemittel, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben werden, worin:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt; Fig. 2 die spektrale Empfindlichkeit einer Sensor-Kamera darstellt, die
Licht bei drei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert;
Fig. 3 ein zweidimensionales Histogramm in einem YUV-Farbraum darstellt, das mit Hilfe der in der Fig. 1 dargestellten Vorrichtung berechnet wird;
Fig. 4 das zweidimensionale Histogramm gemäß der Fig. 3 nach einer
Glättung darstellt;
Fig. 5 das zweidimensionale Histogramm gemäß der Fig. 3 darstellt, das mit einem zweiten Histogramm überlagert ist, dessen
Schwerpunkt identisch mit dem Schwerpunkt des zweidimensionalen Histogramms gemäß der Fig. 3 ist; und
Fig. 6 schematisch eine Anordnung von einem Halbleitersubstrat und einer Kamera zeigt.
Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur optischen Inspektionen der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 21 , beispielsweise eines Halbleiter- Wafers, dessen Oberfläche mit einer oder mehreren dünnen Schichten, beispielsweise einer Fotolack Schicht, einer Metallisierung, einer dielektrischen Schicht oder dergleichen, beschichtet ist. Interferenzeffekten verleihen der Oberfläche eine Farbe, die von der Dicke der dünnen Schicht abhängig ist. Aus dem von der Oberfläche reflektierten Licht lässt sich somit auf die Dicke der dünnen Schicht schließen. Aus Farbvarianzen der reflektierten Lichtintensität lässt sich auf Inhomogenitäten in der Dicke der dünnen Schicht schließen.
Mit Hilfe der als Farbbildsensor dienenden CCD-Kamera 1 wird die Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 oder ein Teil der Oberfläche, beispielsweise ein sog. stepper area window (nachfolgend SAW), das mehrere Dies bzw. Halbleiterbauelemente umfasst, ein Bereich mit einem oder mehreren Dies oder ein Teil eines Dies, makroskopisch aufgenommenen. Die Bildinformation ist aus einer Mehrzahl von Bildpunkten mit zugeordneten Farbwerten und Intensitäten aufgebaut.
Die Fig. 2 stellt die spektrale Empfindlichkeit einer Sensor-Kamera 1 dar, die Licht bei drei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert, nämlich bei den Farben rot, grün und blau. Für jeden Punkt des Farbbildes liefert die Farbkamera 1 drei Intensitätswerte. Der Wert eines jeden Kanals ist von der spektralen Empfindlichkeit des einzelnen Sensors und dem einfallenden Licht abhängig. Die Fig. 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit einer 3-Sensor Kamera 1 deren Sensoren A, B und C empfindlich für sichtbares Licht sind.
Wenn φλ die spektrale Verteilung des einfallenden Lichtes ist, so liefern die Sensoren A, B und C die folgenden Intensitäten:
IA = k - \a{λ)φλ {λ)dλ
Figure imgf000012_0001
Ic = k - c{λ)φλ {λ)dλ
wobei k ein Verstärkungsfaktor ist.
Die Bildinformation wird einem Bildverarbeitungsmittel 2 eingegeben, das die RGB-Komponenten der Bildinformation in den YUV-Farbraum transformiert.
Der YUV-Farbraum bildet bei den in Europa verwendeten Fernsehnormen die Grundlage der Farbkodierung und setzt sich bekanntermaßen wie folgt aus den RGB-Komponenten der Bildinformation zusammen:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B U = -147R - 0.289G + 0.437B = 0.493(B-Y)
V = 0.615R - 0.515G - 0.100B = 0.877(R-Y)
Die Y-Komponenten stellt die Luminanz dar. Der YUV-Farbraum wird somit aus der Intensitäten und den Farbkoordinaten U,V aufgespannt.
Bei der weiteren Bearbeitung der Bildinformation wird die Y-Komponente nicht berücksichtigt, was in der Fig. 1 durch den nicht durchgezogenen Pfeil zwischen den Blöcken 2 und 3 angedeutet ist. Die verbleibenden U- und V- Farbkoordinatenwerten spannen einen zweidimensionalen Buntheits-Raum auf. Mit Hilfe des Rechenmittels 3 wird die Häufigkeit des Auftretens eines Bildpunktes mit gleichen U- und W-Werten für den jeweiligen aufgenommenen Bildbereich aufsummiert. In dem zweidimensionalen Buntheits-Raum wird somit die in der Fig. 3 dargestellte Häufigkeitsverteilung 12 (Histogramm) berechnet. Die Häufigkeitsverteilung 12 weist zwei Peaks 13, 14 sowie einen nebengeordneten Peak 15 auf, der auf Bildartefakte zurückgeht.
Aufgrund der begrenzten Auflösung bei einer digitalen Bildbearbeitung weist die berechnete Häufigkeitsverteilung 12 diskrete Abstufungen auf. Je nach verwendeter Auflösung, beispielsweise 8-Bit, ist der berechneten Häufigkeitsverteilung 12 ein diskretes Rauschen überlagert, das bei nachfolgenden Vergleichsoperationen stören könnte und das in der Fig. 3 zu den Doppel-Peaks 13, 14 führt.
Die berechnete Häufigkeitsverteilung 12 wird mit Hilfe des Filtermittels 4 geglättet, beispielsweise mit Hilfe eines Box-Filters. Geeignete alternative Filter-Algorithmen sind dem Fachmann beim Studium dieser Beschreibung ersichtlich und bedürfen keiner weiteren Ausführungen.
Die Fig. 4 zeigt schematisch die geglättete Häufigkeitsverteilung 12 gemäß der Fig. 3. Je nach der Breite des gesetzten Frequenzfensters des Filtermittels 4 ergibt sich eine geringe Verbreiterung der Häufigkeitsverteilung 12, die insgesamt vernachlässigbar ist und dazu führt, dass die Doppel-Peaks 13, 14 in der Fig. 4 zu einem einzelnen Peak 16 verlaufen sind. Mit Hilfe des weiteren Rechenmittels 5 kann der Schwerpunkt der berechneten Häufigkeitsverteilung 12, ausgedrückt in U- und V- Farbkoordinaten, ermittelt werden. In dem von den U- und V-Farbkoordinaten aufgespannten Farbraum entspricht jeder Ort einer Farbe der reflektieren Lichtintensität. Wird das Licht vielfarbig reflektiert, weist die geglättete Häufigkeitsverteilung 12 mehr als einen Peak auf.
Die weiteren Verarbeitungsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im unteren Teil der Fig. 1 schematisch dargestellt. Für den wahlweise in dem Block 7 oder 9 ausgeführten Vergleichsschritt verwendet das Verfahren eine zweite Häufigkeitsverteilung (Referenz-2D-Histogramm). Die zweite Häufigkeitsverteilung wird auf der Grundlage von Licht, das von einem Referenz-Bereich reflektiert wird, berechnet, und zwar je nach den Erfordernissen des Verfahrens wahlweise auf der Grundlage von Licht, das von einem Referenz-Wafer mit guten Oberflächeneigenschaften oder einem Oberflächenabschnitt davon, von einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (SAW) des Referenz-Wafers oder desselben Halbleitersubstrats 21 , von einem einzelnen Die oder einem Abschnitt davon eines Referenz-Wafers oder desselben Halbleitersubstrats 21 reflektiert wird. Die Berechnung erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise, insbesondere unter Verwendung identischer oder vergleichbarer Beleuchtungsbedingungen und/oder eines Glättungsschrittes. Die zweite Häufigkeitsverteilung kann in einem Speicherbereich abgelegt sein.
Auch für die zweite Häufigkeitsverteilung lässt sich in der zuvor beschriebenen Weise die Lage des Schwerpunkts berechnen (Referenz-Schwerpunkt).
Ist die Lage der Schwerpunkte von Häufigkeitsverteilung 12 und Referenz- Häufigkeitsverteilung 12 nicht identisch, so resultiert dies in einer Farbverschiebung des von dem Halbleitersubstrat 21 reflektieren Lichts im Vergleich zu dem von dem Referenz-Bereich reflektierten Licht. Diese Farbverschiebung wird von dem Block 9 durch Differenzbildung der beiden Schwerpunkte bestimmt. Je nach dem verwendeten Referenz-Bereich und dem zur Berechnung der Häufigkeitsverteilung 12 verwendeten Bildaufnahmebereich kann diese Farbverschiebung in dem nachgeordneten Block 10 zur Bestimmung lokaler Farbdefekte oder in dem nachgeordneten Block 11 zur Bestimmung globaler Farbdefekte verwendet werden. Lokale Farbdefekte, beispielsweise hervorgerufen durch eine lokale Aufwölbung der dünnen Schicht aufgrund eines Staubkorns, lassen sich beispielsweise durch den Vergleich der Häufigkeitsverteilungen zweier lokaler Oberflächenbereiche ein und desselben Wafers oder aufgrund des Auftretens eines zusätzlichen Peaks in der Häufigkeitsverteilung 12 des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 bestimmen. Globale Farbdefekte führen hingegen zu einer systematischen Farbverschiebung des Peaks oder aller Peaks des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 im Vergleich zu einem Referenz-Wafer. Systematische Farbverschiebungen treten sowohl bei veränderten Schichtdicken als auch bei fehlenden Schichten oder bei falschen Schichten durch Verwendung eines falschen Reticles auf.
Alternativ oder zusätzlich kann die für das zu prüfende Halbleitersubstrat 21 berechnete Häufigkeitsverteilung 12 auch von dem Block 6 so verschoben werden, dass deren Schwerpunkt mit dem Referenz-Schwerpunkt übereinstimmt. In dem Block 7 wird dann die verschobene
Häufigkeitsverteilung 12 mit der zweiten Häufigkeitsverteilung (Referenz-2D- Histogramm) verglichen. Zu diesem Zweck können die beiden Häufigkeitsverteilungen in dem Block 7 einander überlagert werden. Im Falle einer lokalen Farbverschiebung kann beispielsweise in der Häufigkeitsverteilung 12 des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 nach der Überlagerung ein zusätzlicher Peak auftreten, der in der überlagerten Gesamt-Häufigkeitsverteilung 12 zu zwei ungleich hohen Peaks führen kann, vergleichbar zu der Verteilung 12 gemäß der Fig. 5.
Alternativ können die beiden Häufigkeitsverteilungen in dem Block 7 auch voneinander subtrahiert werden. Zusätzlich kann die verbleibende Differenz durch Multiplikation mit einem vorgebbaren Faktor verstärkt werden. Dadurch können auch kleine Differenzen in der Farbverteilung 12 ermittelt werden. Dies ist schematisch in der Fig. 5 dargestellt, wo die resultierende Häufigkeitsverteilung 2 eine schräg abfallende Schulter 20 und zwei Peaks 17, 18 aufweist.
Selbstverständlich können für die Häufigkeitsverteilungen auch i-te Momente berechnet und miteinander verglichen werden, wobei i eine Ganzzahl ist und i≥1 gilt. Dadurch lassen sich noch weitere Informationen über die Farbvarianzen auf dem Halbleitersubstrat 21 gewinnen.
Die vorgenannten Referenz-Bereiche, die zur Berechnung der Referenz- Häufigkeitsverteilung 12 verwendet werden, können auch in einer vorgegebenen geometrischen Anordnung auf dem Referenz-Wafer oder dem zu prüfenden Halbleitersubstrat 21 angeordnet sein. Beispielsweise können bei einem Prozessschritt inhärent Inhomogenitäten in der Dicke der aufgebrachten dünnen Schicht auftreten. So kann es beim Aufschleudern (Spin-Coating) einer Fotolackschicht zu einer radialen Abhängigkeit der Dicke der aufgebrachten Fotolackschicht kommen. In einem solchen Fall kann es vorteilhaft sein, als Referenzbereich einen ringförmigen Bereich eines Referenz-Wafers oder des zu prüfenden Halbleitersubstrats 21 zu verwenden. Die Größe und geometrische Form des Referenz-Bereichs kann erfindungsgemäß auch variiert werden.
Bei Abweichung der Häufigkeitsverteilung 12 von der Referenz- Häufigkeitsverteilung 12 kann auch auf Defokusfehler beim Belichten geschlossen werden. Durch eine defokussierte Belichtung entstehen andere Strukturen auf dem Halbleitersubstrat 21 , die sich in einer anderen Häufigkeitsverteilung 12 äußern.
Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich grundsätzlich für eine rasche, vollautomatisierte Bildauswertung. Somit lässt sich das Verfahren kombinieren mit einem Verfahren zur Herstellung von strukturieren Halbleitersubstraten 21 , bei dem die Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 zwischen zwei Prozessschritten geprüft wird und für den Fall, dass die ermittelte Farbverschiebung oder die ermittelten Differenzen in der
Farbverteilung für das zu prüfende Halbleitersubstrat 21 einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten, Maßnahmen getroffen werden, um eine gleich bleibend hohe Qualität in der Halbleiterfertigung zu gewährleisten.
Diese Maßnahmen können beispielsweise darin bestehen, dass das gerade geprüfte Halbleitersubstrat 21 oder Teile davon, die für fehlerhaft befunden wurden, in einem nachfolgenden Prozessschritt verworfen werden, oder dass die Oberfläche des Halbleitersubstrates 21 von der für fehlerhaft befundenen dünnen Schicht wieder befreit wird, beispielsweise durch Abspülen der gerade aufgebrachten Fotolackschicht, und vor dem nachfolgenden Prozessschritt mit einer neuen dünnen Schicht beschichtet und diese geprüft wird, solange, bis die aufgebrachte Schicht als den Qualitätsanforderungen genügend befunden wird. Eine solche Vorgehensweise ist auch unter dem Stichwort after development inspection (ADI) bekannt.
Zu diesem Zweck kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Falle des Überschreitens eines vorgebbaren Schwellenwertes ein Alarmsignal, eine Größe oder dergleichen erzeugt werden, das bzw. die an eine CPU der Halbleiterfertigungsstrasse weitergeleitet wird, um die vorgenannten Maßnähmen einzuleiten.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch weitere Ursachen für Inhomogenitäten bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen ermitteln. So wurde von dem Erfinder festgestellt, dass eine Defokussierung bei der Stepper-Belichtung zu einer Änderung der Farbverteilung eines einzelnen SAWs aufgrund einer anders gearteten Oberflächenbeschichtung auf dem Halbleitersubstrat 21 führt. Eine Defokussierung bei der Stepper- Belichtung in einem einzelnen SAW ist im Stand der Technik nur vergleichsweise aufwendig zu detektieren.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch die auftretenden Fehler systematisch wie folgt unterscheiden. Dies kann zur Aussortierung einzelner Halbleiterbauelemente bzw. Dies verwendet werden. So lassen sich beispielsweise systematische globale Prozessfehler von lokalen Fehlern unterscheiden. Denn für den Fall, dass aufgrund einer
Prozessstörung systematisch unzureichende dünne Schichten ganzflächig auf einen Wafer aufgebracht werden, äußert sich dieser systematische Prozessfehler in einer Farbverschiebung für alle geprüften Dies im Vergleich zu der Häufigkeitsverteilung 12 eines Referenz-Wafers mit bekannten (guten) Oberflächeneigenschaften, wohingegen der Vergleich der Häufigkeitsverteilungen einzelner Dies ein und desselben Wafers auf keine signifikante Farbverschiebung schließen lässt.
Für den Fall, dass ein einzelner Stepper-Belichtungsbereich (SAW) im Vergleich zu allen anderen Bereichen desselben Wafers anders beschichtet wird, äußert sich dies in Abweichungen des entsprechenden SAWs im Vergleich sowohl zu dem Referenz-Histogramm als auch zu den
Häufigkeitsverteilungen aller anderen SAWs desselben Wafers. Zur Bestimmung von auf einzelne SAWs begrenzten Prozessfehlern ist es deshalb von Vorteil, wenn die Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer jeweils für ein ganzes SAW berechnet wird.
Sollen mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens sogar Fehler von dünnen Schichten auf einzelnen Dies oder Unterbereichen davon ermittelt werden, so ist es von Vorteil, wenn die Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer für ein jeweiliges Die oder einem Unterbereich davon berechnet wird.
Durch geeignete Wahl des zur Berechnung der Häufigkeitsverteilung 12 für den zu prüfenden Wafer verwendeten Bildaufnahmebereichs sowie des für die Berechnung des Referenz-Histogramms verwendeten Referenz-Bereichs lässt sich erfindungsgemäß somit unterschiedlichsten Anforderungen in der Halbleiterfertigung flexibel Rechnung tragen.
Während vorstehend beschrieben wurde, dass der Bildsensor Intensitäten bei unterschiedlichen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich detektiert, ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt. Grundsätzlich können die Intensitäten auch teilweise oder sämtliche in anderen, auch nicht-sichtbaren Spektralbereichen detektiert werden. Beispielsweise kann der Bildsensor auch Intensitäten im infraroten, nahen infraroten und/oder ultravioletten Spektralbereich detektieren. Geeignete Abbildungsoptiken und -elemente zur Verwendung in diesen Spektralbereichen werden dem Fachmann beim Studium dieser Anmeldung ohne weiteres ersichtlich werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Hilfe von Software bzw. eines Computerprogramms mit Programmcodemitteln zur Durchführung der vorgenannten Verfahrensschritte realisiert werden, die ausgeführt werden, wenn die Software bzw. das Computerprogramm auf einem Computer oder anderen geeigneten Datenverarbeitungsmittel, beispielsweise auf einem Mikroprozessor, ausgeführt wird. Die Software bzw. das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein, beispielsweise auf einem ROM, EPROM, EEPROM, einer CD-ROM, einer DVD, einem Magnetbandträger oder dergleichen. Geeignete Hardwarekomponenten zum Durchführen der vorgenannten Rechenoperation werden dem Fachmann bei Studium der vorangehenden Beschreibung ersichtlich sein und können Mikroprozessoren, ASICs oder spezielle Signalverarbeitungsprozessoren umfassen.
Die Fig.6 zeigt in schematischer Weise einen Wafer 21 , der sich auf einem Scannintisch 22 befindet und dessen Oberfläche mittels einer Kamera 1 (Bildsensor) aufgenommen wird. Es kann die komplette Oberfläche auf einmal oder nur ein Teil der Oberfläche des Wafers 21 aufgenommen werden. Im letzteren Fall wird über die Oberfläche gescannt, wenn die komplette Oberfläche untersucht werden soll. Um hierbei eine Relativbewegung zwischen Scanningtisch 22 und Kamera 1 zu erzeugen, wird ein x-y- Scanningtisch 22 verwendet, der in den Koordinatenrichtungen x und y verfahrenen werden kann. Die Kamera 1 ist hierbei gegenüber dem Scanningtisch 22 fest installiert. Selbstverständlich kann auch umgekehrt der Scanningtisch 22 fest installiert sein und die Kamera 1 für die Bildaufnahmen über den Wafer 21 bewegt werden. Auch eine Kombination der Bewegung der Kamera 1 in eine Richtung und des Scanningtisches 22 in der dazu senkrechten Richtung ist möglich.
Der Wafer 21 wird mit einer Beleuchtungseinrichtung 23 beleuchtet, die zumindest Teile der Waferoberfläche beleuchtet, z.B. einen SAW, wie oben bereits erwähnt. Hierbei wird die Beleuchtung auf den SAW konzentriert. Zudem kann auch mit einer Blitzlampe gepulst werden, so dass Bildaufnahmen on-the-fly möglich sind, bei denen also der Scanningtisch 22 oder die Kamera 1 ohne für die Bildaufnahme anzuhalten verfahren werden. Dadurch ist ein großer Waferdurchsatz möglich. Natürlich kann auch für jede Bildaufnahme die Relativbewegung zwischen Scanningtisch 22 und Kamera 1 angehalten werden und der Wafer 21 auch in seiner gesamten Oberfläche beleuchtet werden. Scanningtisch 22, Kamera 1 und Beleuchtungseinrichtung 23 werden von einer Steuereinheit 24 gesteuert. Die Bildaufnahmen können in einem Rechner 25 abgespeichert und gegebenenfalls auch dort verarbeitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats (21), bei welchem Verfahren
von der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) ein Bild aufgenommen wird, das eine Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge, die als Farbwerte bezeichnet werden, umfasst,
aus den Farbwerten durch Transformation in einen Farbraum, der von einer Intensität und von Farbkoordinaten (U,V) aufgespannt wird, eine Häufigkeitsverteilung (12) von Bildpunkten mit gleichen
Farbkoordinatenwerten (u, v) berechnet wird, und
die so berechnete Häufigkeitsverteilung (12) für einen Vergleich mit einer zweiten entsprechend berechneten Häufigkeitsverteilung oder einer aus dieser abgeleiteten Größe verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Farbwerte im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Wellenlängenbereich aufgenommen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Farbwerte unter
Verwendung einer linearen Transformation in den Farbraum transformiert werden und die Häufigkeitsverteilung (12) durch Aufsummieren einer Häufigkeit des Auftretens von Bildpunkten mit gleichen
Farbkoordinatenwerten in dem Farbraum unter Vernachlässigung der Intensität der Bildpunkte berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Farbwerte eines RGB-Farbraums bei sichtbaren Wellenlängen in einen YUV-Farbraum transformiert werden, wobei Y der Lichtintensität bzw. Luminanz der Bildpunkte entspricht und Y für die Berechnung der Häufigkeitsverteilung (12) nicht berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die in dem Farbraum berechnete Häufigkeitsverteilung (12) geglättet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Berechnung der Häufigkeitsverteilung (12) wahlweise makroskopische Bildaufnahmen von zumindest einem eine Mehrzahl von
Halbleiterbauelementen bzw. Dies umfassenden Halbleitersubstrat (21) oder von zumindest einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten Oberflächenbereich (SAW) des Halbleitersubstrats (21) oder von einem einzelnen Halbleiterbauelement bzw. Die oder von einem Unterbereich davon verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme von Oberflächenbereichen berechnet wird, die auf einem Wafer eine vorgegebene geometrische Anordnung aufweisen, insbesondere radial verteilt sind.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Vergleich aus der berechneten Häufigkeitsverteilung (12) ein Schwerpunkt berechnet wird und die Lage des Schwerpunktes mit der Lage des Schwerpunktes der zweiten Häufigkeitsverteilung verglichen wird, um für das Halbleitersubstrat (21) eine Farbverschiebung zu ermitteln.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Vergleich die berechnete Häufigkeitsverteilung (12) von der zweiten Häufigkeitsverteilung subtrahiert wird, um für das Halbleitersubstrat (21) Differenzen in der Farbverteilung zu ermitteln.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem ein Alarmsignal erzeugt wird, wenn die ermittelte Farbverschiebung oder die ermittelten Differenzen in der Farbverteilung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Vergleich ein i-tes Moment der berechneten Häufigkeitsverteilung (12) mit einem i-ten Moment der zweiten Häufigkeitsverteilung verglichen wird, wobei i eine Ganzzahl ist und i >1 gilt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Häufigkeitsverteilung auf der Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme eines Referenz-Wafers und/oder eines aktuell zu inspizierenden Wafers basiert.
13. Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats (21), bei welchem Verfahren
die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) mit einer dünnen Schicht, insbesondere einer Fotolackschicht, beschichtet wird und
die Verfahrensschritte nach Anspruch 8 oder 9 ausgeführt werden, um Farbvarianzen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) zu ermitteln.
14. Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats (21), bei welchem Verfahren
die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) mit einer dünnen Schicht, insbesondere einer Fotolackschicht, beschichtet wird und
die Verfahrensschritte nach Anspruch 10 ausgeführt werden, um Farbvarianzen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) zu ermitteln, wobei
das Halbleitersubstrat (21) oder Unterbereiche davon in einem nachfolgenden Prozessschritt verworfen werden oder die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) von der dünnen Schicht befreit wird, um vor dem nachfolgenden Prozessschritt erneut beschichtet und inspiziert zu werden, wenn das Alarmsignal erzeugt wird.
15. Vorrichtung zur optischen Inspektion der Oberfläche eines Halbleitersubstrats (21), umfassend
einen Bildsensor (1), um von der Oberfläche des Halbleitersubstrats
(21) ein Bild aufzunehmen, das eine Mehrzahl von Bildpunkten mit jeweils zumindest drei zugeordneten Intensitäten unterschiedlicher Wellenlänge, die als Farbwerte bezeichnet werden, umfasst,
ein Rechenmittel, um aus den Farbwerten in einem Farbraum, der von einer Intensität und Farbkoordinaten (U,V) aufgespannt wird, eine
Häufigkeitsverteilung (12) von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten (u, v) zu berechnen, und
ein Vergleichsmittel, um die so berechnete Häufigkeitsverteilung (12) für einen Vergleich mit einer zweiten entsprechend berechneten Häufigkeitsverteilung oder einer aus dieser abgeleiteten Größe zu verwenden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der der Bildsensor (1) die Farbwerte im ultravioletten, sichtbaren und/oder infraroten Wellenlängenbereich aufnimmt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, bei der das Rechenmittel ausgelegt ist, um die Farbwerte unter Verwendung einer linearen Transformation in den Farbraum zu transformieren und die Häufigkeitsverteilung (12) durch Aufsummieren einer Häufigkeit des Auftretens von Bildpunkten mit gleichen Farbkoordinatenwerten in dem Farbraum unter Vernachlässigung der Intensität der Bildpunkte zu berechnen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei der das
Rechenmittel ausgelegt ist, um die Farbwerte eines RGB-Farbraums bei sichtbaren Wellenlängen in einen YUV-Farbraum zu transformieren, wobei Y der Lichtintensität bzw. Luminanz der Bildpunkte entspricht und Y für die Berechnung der Häufigkeitsverteilung (12) nicht berücksichtigt wird.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis18, weiterhin umfassend ein Filtermittel, um die in dem Farbraum berechnete Häufigkeitsverteilung (12) zu glätten.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis19, bei der das Rechenmittel ausgelegt ist, um zur Berechnung der Häufigkeitsverteilungen wahlweise Bildaufnahmen von zumindest einem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen bzw. Dies umfassenden Halbleitersubstrat (21) oder von zumindest einem in einem Stepper-Belichtungsschritt belichteten
Oberflächenbereich (SAW) des Halbleitersubstrats (21) oder von einem einzelnen Halbleiterbauelement bzw. Dies oder von einem Unterbereich davon zu verwenden.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, bei der das Rechenmittel ausgelegt ist, um die zweite Häufigkeitsverteilung auf der
Grundlage von zumindest einer Bildaufnahme von Oberflächenbereichen zu berechnen, die auf einem Wafer eine vorgegebene geometrische Anordnung aufweisen, insbesondere radial verteilt sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , bei der das Vergleichsmittel ausgelegt ist, um für den Vergleich aus der berechneten
Häufigkeitsverteilung (12) einen Schwerpunkt zu berechnen und die Lage des Schwerpunktes mit der Lage des Schwerpunktes der zweiten Häufigkeitsverteilung zu vergleichen, um für das Halbleitersubstrat (21) eine Farbverschiebung zu ermitteln.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei der das
Vergleichsmittel ausgelegt ist, um für den Vergleich die berechnete Häufigkeitsverteilung (12) von der zweiten Häufigkeitsverteilung zu subtrahieren, um für das Halbleitersubstrat (21) Differenzen in der Farbverteilung zu ermitteln.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, bei der das Vergleichsmittel ausgelegt ist, um ein Alarmsignal zu erzeugen, wenn die ermittelte Farbverschiebung oder die ermittelten Differenzen in der Farbverteilung für das Halbleitersubstrat (21) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreiten.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, bei der das Vergleichsmittel ausgelegt ist, um für den Vergleich ein i-tes Moment der berechneten Häufigkeitsverteilung (12) mit einem i-ten Moment der zweiten Häufigkeitsverteilung zu vergleichen, wobei i eine Ganzzahl ist und i >1 gilt.
26. Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats (21), umfassend
eine Beschichtungsvorrichtung, um die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) mit einer dünnen Schicht, insbesondere einer Fotolackschicht, zu beschichten und
die Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, die ausgelegt ist, um
Farbvarianzen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) zu ermitteln.
27. Vorrichtung zur Herstellung eines strukturierten Halbleitersubstrats (21), umfassend
eine Beschichtungsvorrichtung, um die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) mit einer dünnen Schicht, insbesondere einer
Fotolackschicht, zu beschichten und
die Vorrichtung nach Anspruch 24, die ausgelegt ist, um Farbvarianzen auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) zu ermitteln, wobei
die Vorrichtung ausgelegt ist, um das Halbleitersubstrat (21) oder Unterbereiche davon in einem nachfolgenden Prozessschritt zu verwerfen oder die Oberfläche des Halbleitersubstrats (21) von der dünnen Schicht zu befreien und vor dem nachfolgenden Prozessschritt erneut zu beschichten, wenn das Alarmsignal erzeugt wird.
28. Software, insbesondere Computerprogramm, umfassend Programmcodemittel, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen, wenn die Software bzw. das Computerprogramm auf einem Computer oder Datenverarbeitungsmittel ausgeführt wird.
29. Software, insbesondere Computerprogramm, mit Programmcodemitteln nach Anspruch 28, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind.
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