JPH10206337A - 半導体ウエハの自動外観検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジストの塗布忘れ、剥離忘れ等の検査を効
率良く、正確に行う。 【解決手段】 半導体ウエハの自動外観検査装置は、検
査位置に置かれた半導体ウエハの表面に照明光源６から
の照明光を照射するとともにこの表面からの反射光を検
出カメラ７により受光処理して検出信号を得る欠陥検出
光学系と、この欠陥検出光学系により得られた検出信号
からウエハ表面の外観上の欠陥を自動的に検査・判定す
る検出信号処理系とを有して構成され、照明光源からの
照明光の変動に応じて検出信号を補正する信号補正手段
を有する

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
スにおけるリソグラフィー工程、エッチング行程、イオ
ンインプランテーション工程等を行った後において、こ
れらの工程での作業が正常に行われたか否か（逆に言え
ば、これら作業に不良があってウエハ表面の欠陥が生じ
るようなことがないか）を自動的に検査・判定する半導
体ウエハの自動外観検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造プロセスにおけるリソ
グラフィー工程、エッチング行程、イオンインプランテ
ーション工程等が正常に行われたか否かという検査は、
可視光照明並びに光学顕微鏡を備えた装置と、熟練した
検査員の目視検査によってウエハ表面の欠陥の有無を検
査することにより行われていた。具体的には、検査対象
ウエハが搬送系によって検査位置まで搬送され、この位
置で照明光源からの照明光がウエハ表面に照射され、そ
の反射光を検査員が目視観察して良否判定（欠陥の有無
判定等）を行っていた。また、このような検査で欠陥が
見つかった場合には、必要に応じて光学顕微鏡を用いて
発見した欠陥を確認していた。

【０００３】なお、このような目視観察により判別され
るウエハ表面の欠陥は、いわゆるマクロ欠陥と称される
種類のものであり、例えば、露光機のデフォーカス等が
原因で生じるチップ毎の露光むら、露光不良、レジスト
の塗りむらやレジストの塗布忘れ、レジストの剥離むら
や剥離忘れ、さらにはウエハ表面平坦化のために行われ
るＣＭＰ(Chemical-Mechanical Polishing) 工程おける
傷又はスクラッチ傷などがある。

【０００４】ところで、このような目視観察検査を行う
検査員は当然ながら十分な熟練と経験が必要とされる
が、例えば新たな半導体ウエハ導入等によりウエハ製造
処理プロセスが変更されたような場合には、この変化に
対応して新たな検査訓練が必要になるという問題があ
る。このようなことから、検査員による目視検査に代え
て検査を自動的に行わせるようにすることも従来から考
えられており、例えば、特開平８−７５６６１号公報に
は、人間の目視観察による検査能力と同様の判断機能を
有するウエハ欠陥検出装置が開示されている。

【０００５】上記のように、検査員による目視観察検査
のような人為的マクロ欠陥検査を自動化、省力化し、欠
陥の検出力向上を目的として自動検査装置が提案されて
いるのであるが、このような装置では、ウエハに照明光
を照射するとともにウエハからの反射光、例えば一次回
折光を検出し、この検出信号からウエハ表面の欠陥の有
無を検出するようになっている。この場合、予め良品ウ
エハに照明光を照射して得られる一次回折光の検出信号
を記憶しておき、これを検査対象ウエハからの一次回折
光の検出信号と比較し、両者に一定以上の差がある場合
にこれを欠陥と認識して、不良品と判定するようになっ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような検査装置に
よる検査において、露光機のデフォーカスによる露光む
ら、レジストの塗布むら、スクラッチ傷等のような欠陥
は、マクロ欠陥ではあるが、ウエハ表面全体での検出信
号からみれば局所的な信号の強度変化として捉えること
ができる。このため、照明光源の劣化による照明光強度
変化が生じたり、検出されたウエハの信号レベルが変化
したりしても、検出信号レベルが常にある一定のレベル
となるように、受光手段としてのカメラのゲインコント
ロールまたはＡＧＣ(Automatic Gain Control)を行った
り、取り込み画像のコントラストの正規化処理等を行っ
たりして補償することができる。

【０００７】しかしながら、レジストの塗布忘れ、剥離
忘れ等の検出のように、ウエハ全面にわたるレジストの
有無の検査のような場合には、レジストの有無による反
射光強度レベルの相違を検出する必要がある。すなわ
ち、この場合には、ウエハ全面における反射光（一次回
折光）の部分的な強度変化を検出するのではなく、ウエ
ハ全面における反射光レベルの相違を検出するものであ
る。このため、上述のように受光信号のゲインコントロ
ールを行ったのでは、反射光レベルの相違がなくなるの
で、この検査を行うことはできないという問題がある。
特に、照明光源が劣化したような場合には、照明光の強
度レベルが低下して反射光レベルも低下するため、この
反射光レベルの低下に基づいて、例えば、レジストの剥
離忘れ等があるという誤った判断を行うおそれがあると
いう問題がある。

【０００８】本発明はこのような問題に鑑みたもので、
特に、レジストの塗布忘れ、剥離忘れ等の検出のよう
に、ウエハ全面にわたるレジストの有無の検査等を効率
良く、且つ正確に行うことができるような半導体ウエハ
の自動外観検査装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用】このような目
的達成のため、本発明に係る半導体ウエハの自動外観検
査装置は、検査位置に置かれた半導体ウエハの表面に照
明光源からの照明光を照射するとともにこの表面からの
反射光を受光処理して検出信号を得る欠陥検出光学系
と、この欠陥検出光学系により得られた検出信号からウ
エハ表面の外観上の欠陥を自動的に検査・判定する検出
信号処理系とを有して構成されるのであるが、照明光源
からの照明光の変動に応じて検出信号を補正する信号補
正手段を有することを特徴とする。

【００１０】なお、欠陥検出光学系は、半導体ウエハの
表面からの一次回折光等のような反射光を受光処理して
検出信号を得るように構成するのが好ましい。さらに、
検査位置に半導体ウエハを搬送するウエハ搬送系と、検
出信号処理系における検査・判定結果を表示並びに出力
する表示・出力系とを備えて本発明に係る自動外観検査
装置を構成するのが好ましい。

【００１１】このような自動外観検査装置の場合には、
照明光源の劣化などにより照明光量が変動、低下したよ
うな場合でも、欠陥検出光学系により得られた検出信号
はこのような変動に応じて補正されるため、補正後の検
出信号は変動前の照明光量に基づく検出信号と同等のも
のとなる。このため、ウエハ表面のレジストの有無検査
のようにウエハ全面からの信号レベルの相違（信号振幅
の相似変化）を検出する場合でも、光源光量の変動の影
響を排除して正確な検査を行うことができ、レジスト塗
布プロセスもしくはレジスト剥離プロセスなどの抜けの
検査も確実に行うことができる。

【００１２】なお、照明光源からの照明光量を検出する
照明光量検出光学系を欠陥検出光学系とは別に有し、信
号補正手段は照明光量検出光学系において検出された照
明光量の変動に応じて検出信号を補正するように構成す
ることができる。また、いずれの場合でも、信号補正手
段は、照明光源からの照明光の変動に応じて検出信号の
ゲイン調整を行うように構成するのが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。図１に本発明に係る
自動外観検査装置の内部を正面から見た状態で示してお
り、この装置は、ウエハ搬送系、欠陥検出光学系、検出
信号処理系および表示・出力系から構成される。後述す
るように、本装置では、検査ウエハの検出信号を基準ウ
エハの検出信号と比較して欠陥の有無を検査するように
なっており、このための基準ウエハおよび検査ウエハが
図示しない上下移動機構内にセットされて保持されてい
る。

【００１４】この上下移動機構内にセットされたウエハ
は、ロボット１のアーム２に取り付けられたフォーク３
によって、選択的にまたは順次抜き取られ、ウエハライ
ナ４に渡されウエハのアラインメントが行われる。ウエ
ハのアラインメント終了後、ウエハ５はロボット１のア
ーム２により回折光用の検査位置へ搬送されてフォーク
３に支持されたまま停止保持される。以上のようにウエ
ハ搬送系が構成される。なお、図においてはウエハ５が
回折光用の検査位置へ搬送された状態を示している。

【００１５】ウエハ５が検査位置に位置すると、回折光
検査用の面状照明光源６が点灯されてウエハ５の表面が
照明光源６からの光により照明される。ここで、ウエハ
５の表面には、例えば、図３に示すように、複数の線状
パターン３１が所定ピッチで形成されており、この表面
に照明光Ａが照射されると、直接反射光Ｂのみならず、
回折光（例えば、一次回折光Ｃ、二次回折光Ｄ等）が発
生する。本装置では、一次回折光（より正確には−１次
回折光）を検出器７により検出するようになっており、
この検出器７は二次元撮像素子を使用したカメラを用い
ている。以上のように欠陥検出光学系が構成される。

【００１６】なお、面状照明光源６はウエハ５の全面を
一括照明可能であり、このときウエハ５のパターンピッ
チと面状照明光源６からの照明光の入射角および波長に
応じて一次回折光の射出方向が決まるが、この一次回折
光の射出方向に検出カメラ７が配置される。このため図
示されてはいないが、面状照明光源６および検出カメラ
７の取付位置を調節する機構が本装置内に設けられてお
り、量産ラインでの検査においては、検査対象となるウ
エハに応じて（ウエハのパターンピッチ等に応じて）面
状照明光源６および検出カメラ７は検査開始前に予め好
適な位置にセットされ、この状態で検査が行われる。照
明光の波長は、半導体ウエハに露光等の悪影響を与えな
い波長が望ましく、例えば、５５０ｎｍの単色光が適切
である。

【００１７】このようにして検出カメラ７によりウエハ
５からの一次回折光の検出が行われると、図２に示すよ
うに、カメラ７からの回折光検出信号２０は検出信号処
理系へ入力される。さらに、本発明の装置では、面状照
明光源６からの照明光の光量（強度）を検知する光検出
器１０が、検査位置にあるウエハ５の近傍に、このウエ
ハ５と略同一の水平面内に位置して置かれている。光検
出器１０としては、例えばフォトダイオードが用いられ
る。この光検出器１０によって照明光源６からの光量変
動を検出するものであり、これにより照明光源６が劣化
して照明光量が低下したような場合にはこれを確実に検
出することができる。この光検出器１０による照明光量
検出信号２１も、図２に示すように、信号処理系に入力
される。

【００１８】次にこの検出信号処理系による信号処理動
作を説明する。検出カメラ７からの回折光検出信号２０
はまずＡＧＣ処理部２３に入力され、光検出器１０から
の照明光量検出信号２１は信号レベル比較部２４もしく
は基準レベル発生器２５に入力される。

【００１９】本装置による検査では、まず欠陥の無い良
品ウエハを用いて測定を行い、そのときの検出信号から
基準となる画像を取得してこれを記憶しておく。そし
て、検査ウエハを用いた検出信号からこの検査ウエハの
表面画像を得るとともに記憶されている良品ウエハの表
面画像（基準画像）と比較して欠陥の有無を検査するよ
うになっている。このため、図２に示すように検出信号
処理系内に、２つの切換スイッチ２２ａ，２２ｂが配設
されており、これらは良品ウエハを用いた測定時には破
線側に切り換えられるとともに、検査ウエハを用いた測
定時には実線側に切り換えられる。

【００２０】検査に際してはまず、良品ウエハを検査位
置に搬送載置し、この表面に面状照明光源６から照明光
を照射する。このときにはＡＧＣ処理部２３はバッファ
として作動させ、検出カメラ７により検出される回折光
検出信号２０はＡＧＣ処理部２３を通ってそのまま画像
処理部２６に送られる。画像処理部２６においては、こ
のように送られてきたアナログ信号がデジタル信号に変
換され、その後、所定の画像処理が施されて基準画像信
号を得た後、この基準画像信号は基準画像メモリ部２７
に記憶される。このことから分かるように、基準画像信
号は良品ウエハ（表面欠陥の無いウエハ）に照明光を照
射したときの一次回折光を検出カメラ７により撮影した
ときに得られるウエハ表面の回折光画像を表すものであ
る。

【００２１】このように良品ウエハの表面に面状照明光
源６から照明光を照射するときに、光検出器１０により
照明光量が検出され、その検出信号２１は基準レベル発
生器２５に入力されて、そのときの検出光量が基準レベ
ル発生器２５に記憶される。これにより基準レベル発生
器２５からはこのように記憶された光量レベルに対応す
る基準レベル信号が信号レベル比較部２４へ出力され
る。

【００２２】このような基準画像および基準レベルの設
定を行った後、良品ウエハに替えて検査ウエハを検査位
置に搬送載置し、その表面に面状照明光源６からの照明
光を照射して検査ウエハの自動外観検査が行われる。検
査ウエハからの一次回折光を検出カメラ７により検出し
て得られた回折光検出信号２０は、ＡＧＣ処理部２３に
送られる。このとき同時に、光検出器１０により検出さ
れた光量検出信号２１は信号レベル比較部２４に送ら
れ、ここで基準レベル発生器２５から送られてくる基準
レベル信号と比較され、両信号の差に応じてＡＧＣ処理
部２３にゲイン制御信号を出力するようになっている。

【００２３】このため、ＡＧＣ処理部２３に入力された
検査ウエハの回折光検出信号２０は、信号レベル比較部
２４から送られるゲイン制御信号に基づいてゲイン調整
がなされた後、画像処理部２６に送られる。このような
ゲイン調整を行うことにより、面状照明光源６が劣化す
る等して照明光量が変化した場合でも、ゲイン調整後の
回折光検出信号は変化する前の照明光量に基づいて得ら
れる信号と同一のものとなる。すなわち、ゲイン調整に
より照明光量の変動分が補償されてこの変動の影響のな
い回折光検出信号が得られる。

【００２４】このようにしてＡＧＣ処理部２３において
信号レベルが補償された回折光検出信号は画像処理部２
６へ入力され、デジタル変換および所定の画像処理がな
された後、欠陥検出処理部２８に入力される。欠陥検出
処理部２８においては、画像処理部２６から入力された
回折光検出信号が基準画像メモリ２７から入力される良
品ウエハの画像信号と比較され、ウエハ表面の各画素毎
にその輝度レベルの差が判定処理されて欠陥検査が行わ
れる。その検査結果は表示部２９に入力され、表示用信
号として加工され、図示しないディスプレイに表示され
たり、記録装置に出力されたりする。

【００２５】ここで、露光機のデフォーカスによるむ
ら、レジストの塗りむら、スクラッチ傷等といった欠陥
は、ウエハ全面からみれば局所的な欠陥であり、回折光
検出信号の部分的な強度変化として捉えることができ
る。このため、ＡＧＣ処理部２３におけるゲイン調整が
無くてももしくは不正確でもこのような欠陥検出は可能
である（但し、ゲイン調整を行った方がより正確な検出
が可能ではあるが）。

【００２６】これに対して、ウエハ全面にわたるレジス
トの有無を検査する場合には、レジスト３８が全面の塗
布されている場合といない場合とでは、照明光源３５か
らの反射光強度レベルが相違するため、照明光量が変動
した場合には、反射光強度レベルの相違がレジストの塗
布の有無により生じたのか、照明光量の変動により生じ
たのか判別できず、レジストの有無検査を正確に行うこ
とができないという問題がある。例えば、図４に示すよ
うに、ウエハ表面にレジスト３８が塗布されている場合
には、レジスト３８の表面により反射された光３６ａと
レジスト３８を透過してウエハ表面により反射された光
３６ｂとが干渉して検知される信号強度が変化する。し
かもこの干渉現象はレジストの厚さに応じて変化する。
なお、図４では説明の容易化のため、ウエハ表面のパタ
ーンプロフィールは省略しているが、実際にはパターン
上にレジストが塗布されるため、回折光と干渉による二
つの現象の合成された検出信号強度が測定される。

【００２７】ここで、本発明の装置では、ＡＧＣ処理部
２３においては、照明光源６の光量変動に応じて回折光
検出信号のゲイン調整がなされるため、ゲイン調整後の
回折光検出信号においては照明光源の光量変動の影響は
排除されている。このため、ゲイン調整後の回折光検出
信号強度を基準信号と比較するだけで、レジストの有無
の検査を正確に行うことが可能である。

【００２８】以上の一次回折光に基づく欠陥検査が完了
すると、ウエハ搬送系のロボット１のアーム２が作動さ
れて、検査ウエハ５’は図１において破線で示される散
乱光検査位置へ搬送される。この後、散乱光検出用線状
光源８が点灯され、ウエハ５’の表面からの光散乱を検
出器９により検出する。検出器９はカメラから構成して
おり、カメラからの信号は画像処理装置に入力され、散
乱用の欠陥検出処理によって欠陥の判定が行われる。但
し、この部分は本発明とは直接関係しないので詳細な説
明は省略する。

【００２９】図１に示した装置のその他の構成について
簡単に説明する。装置上部にはクリーンユニット１１が
配設されており、検査時の本体内部をクリーンな環境に
保持する。本装置の筐体を構成するラック本体１２の横
には、信号処理系と本体制御系を構成する制御ユニット
１３およびそのコンソール１４が制御系ラック１５内に
配設されている。オペレータはコンソール１４の表示情
報をもとに装置のオペレーションを行い、コンソール１
４には装置の状態や、検査結果が表示される。また、画
像処理部専用の出力モニター１６並びに画像のハードコ
ピー出力用のビデオプリンター１７も設置されている。

【００３０】なお、本発明に係る検査装置は、上記のも
のに限られるものではない。例えば、アーム２のフォー
ク３により保持してウエハを検査位置に配置している
が、ステージ上に検査位置を設け、搬送系によりウエハ
をステージ上に搬送するようにしても良く、この場合に
は、光検出器はステージ上に配設される。さらに、照明
光源の光量検出手段として、ハーフミラーと簡単な集光
光学系を用いて光源の一部を光検出器に導くように構成
することもできる。又、別の照明光源の光量検出手段と
して、光ファイバーを用いて光源の一部を光検出器に導
くように構成することもできる。光ファイバーの入射端
は、光源の周辺であれば任意に配置できるので、配置の
自由度が大きい。同じく、光検出器も任意に配置でき
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
半導体ウエハの表面からの反射光を受光処理して検出信
号を得る欠陥検出光学系と、この検出信号からウエハ表
面の外観上の欠陥を自動的に検査・判定する検出信号処
理系とを有し、照明光源からの照明光の変動に応じて検
出信号を補正する信号補正手段を有しているので、照明
光源の劣化などにより照明光量が変動、低下したような
場合でも、欠陥検出光学系により得られた検出信号はこ
のような変動に応じて補正されるため、補正後の検出信
号は変動前の照明光量に基づく検出信号と同等のものと
なる。このため、ウエハ表面のレジストの有無検査のよ
うにウエハ全面からの信号レベルの相違（信号振幅の相
似変化）を検出する場合でも、光源光量の変動の影響を
排除して正確な検査を行うことができ、レジスト塗布プ
ロセスもしくはレジスト剥離プロセスなどの抜けの検査
も確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体ウエハの自動外観検査装置
の内部正面図である。

【図２】上記検査装置を構成する信号処理系の構成を示
すブロック図である。

【図３】ウエハ表面のパターン照射された照明光と反射
光（回折光）を示す概略図である。

【図４】レジスト塗布ウエハの表面に照射された照明光
と反射光を示す概略図である。

【符号の説明】

１ ロボット ４ ウエハライナ ５ ウエハ ６ 面状照明光源 ７ 検出カメラ １０ 光検出器

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査位置に置かれた半導体ウエハの表面
   に照明光源からの照明光を照射するとともにこの表面か
   らの反射光を受光処理して検出信号を得る欠陥検出光学
   系と、この欠陥検出光学系により得られた前記検出信号
   から前記ウエハ表面の外観上の欠陥を自動的に検査・判
   定する検出信号処理系とを有してなる半導体ウエハの自
   動外観検査装置において、 前記照明光源からの照明光の変動に応じて前記検出信号
   を補正する信号補正手段を有することを特徴とする半導
   体ウエハの自動外観検査装置。
2. 【請求項２】 前記欠陥検出光学系は、前記半導体ウエ
   ハの表面からの回折光を受光処理して検出信号を得るこ
   とを特徴とする請求項１に記載の自動外観検査装置。
3. 【請求項３】 前記検査位置に半導体ウエハを搬送する
   ウエハ搬送系と、前記検出信号処理系における検査・判
   定結果を表示並びに出力する表示・出力系とを備えるこ
   とを特徴とする請求項１もしくは２に記載の自動外観検
   査装置。
4. 【請求項４】 前記照明光源からの照明光量を検出する
   照明光量検出光学系を前記欠陥検出光学系とは別に有
   し、前記信号補正手段は前記照明光量検出光学系におい
   て検出された照明光量の変動に応じて前記検出信号を補
   正することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
   の自動外観検査装置。
5. 【請求項５】 前記信号補正手段は、前記照明光源から
   の照明光の変動に応じて前記検出信号のゲイン調整を行
   うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の自
   動外観検査装置。