JPH11326228A - 鏡面体外観検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 鏡面についてＳ／Ｎ比の良い画像による外観
検査を行う。 【解決手段】 ウエーハＷと撮像光学系のレンズ５と高
精細度撮像子６を互いに平行に配置して、高精細度撮像
子６でウエーハＷの画像を得る。明視野照明系８は、ウ
エーハＷの鏡面に白色板１１を映し、撮像カメラ４でウ
エーハＷの鏡面をＳ／Ｎ比良く撮像する。暗視野照明系
９は投光型照明装置１２と面照明装置１６とサイド照明
装置１８と傾斜角度の小さいリング状の照明装置２０を
適宜用いてウエーハＷを直接照射する。この明視野照明
と暗視野照明での画像を撮像して、欠陥を容易に評価判
定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエーハ等
の表面が鏡面とされている鏡面体の検査に用いられる鏡
面体外観検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエーハはシリコン等のインゴッ
トからウエーハ状に切断されて鏡面研磨されて鏡面体と
して仕上げられるが、この鏡面体としての半導体ウエー
ハの表面欠陥の検査が行われる。この表面欠陥として、
ゴミ、キズ、汚れ、ピンホール等の立体的または平面的
な欠陥があり、これら欠陥の検査は、通常、目視検査か
自動検査で行われる。目視検査は煩雑で手間がかかると
いう問題がある。自動検査で行われる場合、例えばテレ
ビカメラ方式とレーザ走査方式とが行われている。テレ
ビカメラ方式で行う場合、例えば照明光学系の光源から
の照射光をコリメータ鏡等で投光光線としてウエーハの
表面に照射し、これを暗視野照明として照明光路外の上
方から高感度撮像カメラで撮像して画像データを得るよ
うにしている。ウエーハ上のゴミやキズなどの欠陥は散
乱光によって明るい像として捕らえられ、目視観察によ
り、またデジタル信号として検出できる。

【０００３】また、レーザ走査方式で行う場合、レーザ
ー光を例えばスポット光としてＸ−Ｙ方向に走査してウ
エーハ面上を移動させ、欠陥がある場合には散乱光や回
折光となるので、これを受光素子で受光する等して欠陥
として検出するようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たテレビカメラ方式の場合、暗視野照明下で撮像する際
に、ウエーハに対して斜め上方にテレビカメラが位置し
て撮像するために、ウエーハ面に対してテレビカメラの
撮像レンズ系と撮像素子とが非平行な配置となるために
ウエーハ全体が合焦位置になく、ウエーハの表面全体に
亘って欠陥を検出することができないという欠点があ
る。これを改善するためにテレビカメラの撮像光学系の
焦点深度を深くすると、被検査体がウエーハのような鏡
面体の場合には照明系の光源等がウエーハ画像に写って
しまい正確な撮像データが得られないという問題が生じ
る。一般的な明視野照明系を用いてウエーハを撮像する
とした場合、光源とウエーハとの間にハーフミラーをお
いて、ハーフミラーを通してウエーハを落射照明してウ
エーハを撮像することになる。しかし、被検査体がウエ
ーハのような鏡面体であると、撮像されるウエーハの画
像にウエーハの鏡面に映った光源やレンズなどの部材な
どが写ってしまい、鏡面の明視野照明での検査ができな
いという問題がある。

【０００５】また、レーザ走査方式の場合、検査用のス
ポット光が小さいため被検査体であるウエーハが相対的
に大面積となり、走査速度の高速化と検査の長時間化が
要求される。また、検出されたデータからキズと汚れな
どの欠陥の区別がつかず、しかも照明条件を変えた複数
種類の画像による多様な情報を得るのが難しかった。こ
のように従来のウエーハの検査装置では、正常面と欠陥
とのＳ／Ｎ比が悪く、ウエーハ表面に存在する各種の欠
陥としてのキズ、ゴミ、汚れ、ピンホールなどの検査判
別が短時間で十分に行えないという欠点があった。

【０００６】本発明は、このような実情に鑑みて、明視
野で鏡面体全体を合焦状態で精密に撮像できるようにし
た鏡面体外観検査装置を提供することを目的とする。ま
た、本発明の他の目的は、正常面と欠陥とのＳ／Ｎ比を
上げて鏡面体のキズやゴミや汚れなどの各種の欠陥を判
別できるようにした鏡面体外観検査装置を提供すること
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る鏡面体外観
検査装置は、鏡面体の鏡面の法線に対して斜め方向に位
置する撮像レンズを有する撮像カメラによって前記鏡面
が撮像素子に結像されるように配置され、撮像レンズと
鏡面と撮像素子が互いに平行に配設されていると共に、
鏡面の法線に対して撮像レンズと反対側に、前記鏡面に
映る明るい均一面が配置されてなることを特徴とする。
従って、撮像カメラの光軸は鏡面の法線に対して斜め方
向にあり、明るい均一面が被検査体である鏡面体の検査
面である鏡面（の全面）に写る状態で撮像カメラで鏡面
を撮像すると、鏡面はその全体に亘って撮像レンズを介
して撮像素子上に合焦状態で結像され、しかも鏡面体の
鏡面について光源ムラが撮像画像に投影されずＳ／Ｎ比
が良好な鏡面体全体の画像データを鮮明に得られる。そ
して鏡面上に欠陥がある場合、汚れやピンホール等の平
面度の高い欠陥は鏡面の正常な部分のように正反射像が
できず、他の正常な部分とのコントラストが大きく明瞭
に検出できる明視野画像が得られる。他方、ゴミやキズ
等の凸部のある立体的な欠陥では、その部分で反射する
乱反射光の一部が撮像レンズに入射されるためにコント
ラストが小さく比較的検出しにくい。

【０００８】また、本発明による鏡面体外観検査装置
は、鏡面体が撮像レンズを有する撮像カメラによって撮
像素子に撮像されるように配置されていて、撮像レンズ
と鏡面体と撮像素子が互いに平行に配設されていると共
に、照明系として暗視野照明系と明視野照明系とが配設
されていて、暗視野照明系と明視野照明系のいずれかの
照明光を選択的に用いて撮像された照明の異なる複数の
画像から異常部を検出するようにしてなることを特徴と
する。上述した明視野照明下での撮像特性に加えて、暗
視野照明系を用いて被検査体を照明した場合には、得ら
れた撮像画像は、欠陥のない正常な鏡面は黒く、ゴミや
キズ等の立体的な欠陥は照明光の一部が反射して撮像レ
ンズに入射されるために明るい像となり、明瞭に識別で
きる。他方、汚れやピンホールなどの凸部のないまたは
小さい欠陥は乱反射による撮像レンズへの入射光量が少
ないので、明瞭に識別できない。そのため、判別すべき
欠陥の種類等に応じて明視野照明系と暗視野照明系とを
選択的に用いて被検査体を照射し、各照明下の画像を撮
り、各画像の相対的異常部情報を検出すれば、各種の欠
陥を明瞭にとらえられ、判別が容易に行える。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図３により説明する。図１は本発明の実施の形態に
よる外観検査装置の要部構成図、図２は図１に示す外観
検査装置の明視野撮像系を示す構成図、図３は図１に示
す外観検査装置の暗視野撮像系を示す構成図である。図
１に示す外観検査装置１において、基台２上に被検査体
である半導体ウエーハ（以下、ウエーハという）Ｗを支
持する回転テーブル３がその中心線回りに回転可能に配
設されている。ウエーハＷはその表面が鏡面に研磨され
ている。そして、このウエーハＷに対して斜め上方にウ
エーハＷの表面を撮像して欠陥検査するための鏡面体撮
像用の撮像カメラ４が設けられている。この撮像カメラ
４内には撮像レンズ系として広角撮像用のレンズ５が含
まれており、レンズ５を通したウエーハＷの結像位置で
ある焦点面に高精細度撮像子６が撮像素子として設けら
れている。レンズ５は例えば両面凸レンズからなってい
て互いに直交する長軸ａと短軸ｂを備えており、しかも
レンズ５は短軸ｂが撮像光学系の主軸とされ、長軸ａが
主軸に直交してウエーハＷの表面及び高精細度撮像子６
と平行に配設されている。しかも、この撮像光学系は、
光軸Ｌがレンズ５の長軸ａと短軸ｂの交差点を通ってウ
エーハＷ及び高精細度撮像素子６の各中心点を結ぶよう
に構成されている。従ってレンズ５はウエーハＷの表面
と高精細度撮像子６と同軸で互いに平行に配設され、光
軸Ｌはレンズ５、ウエーハＷの表面及び高精細度撮像子
６に斜めに交差することになる。

【００１０】この外観検査装置１には、照明系として明
視野照明系８と暗視野照明系９が配設されている。明視
野照明系８では、図１及び図２に示すように、ウエーハ
Ｗに直接光が入射しない位置と角度を以て例えばパネル
状の光源１０が配設され、この光源１０に対向して白色
板１１（均一面）が配設され、白色板１１は光源１０か
らの射出光束を受けて均一な反射光としてウエーハＷを
照射する。ここで、光源１０としては白熱灯、蛍光灯な
どの各種の光源を採用でき、また白色板１１としては光
源１０からの照射光を均一な反射光にして照射できてウ
エーハＷに映っても明るさのムラがでない均一な面であ
ればよく、例えば、すりガラス、ケント紙、乳白色板等
が用いられる。そして、ウエーハＷの鏡面に映る明るい
白色板１１の像は撮像カメラ４でレンズ５を含む撮像光
学系を介して高精細度撮像子６上にピンぼけ状態で結像
されるようになっている。

【００１１】次に暗視野照明系９として、例えば図１及
び図３に示すように、第一照明系、第二照明系、第三照
明系、第四照明系とが設けられ、これらは必要に応じて
選択的にまたは複数同時にウエーハＷを直接照射するよ
うに制御させられる。第一照明系は、例えばウエーハＷ
の上方に配設された投光型照明装置１２であり、この投
光型照明装置１２は、ウエーハＷの上方にハロゲンラン
プなどの第一光源１３が位置し、その背面には略半球面
状の凹面鏡１４が設けられ、第一光源１３から射出され
た光束はコンデンサレンズ１５を介してウエーハＷを照
明するようになっている。尚、この照明光のウエーハＷ
の正常面での反射光は撮像カメラ４から外れた方向に反
射することになる。第二照明系は、ウエーハＷの上方に
配設された面照明装置１６であり、この面照明装置１６
として、ウエーハＷの上方であって投光型照明装置１２
のコンデンサレンズ１５の周囲に例えばパネル型の第二
光源１７が配設され、この第二光源１７から直接ウエー
ハＷの表面全体を照射するようになっており、その正常
面での反射光は撮像カメラ４から外れた方向に反射する
ようになっている。

【００１２】第三照明系は、第一及び第二照明系の照明
光路から外れてウエーハＷの斜め上方に配置された１ま
たは複数個のサイド照明装置１８であり、このサイド照
明装置１８は例えば高周波蛍光灯などの第三光源１９か
らなり、斜め上方からウエーハＷを照明して正常面では
撮像カメラ４から外れた方向に反射されるようになって
いる。第四照明系は、第一、第二及び第三照明系の高さ
より低い位置に、ウエーハＷの外側全周に渡って配置さ
れ、他の暗視野照明系よりも小さい傾斜角度で投光して
ウエーハＷを照明する照明装置２０であり、この照明装
置２０は例えば円形高周波蛍光灯、低角度大径ＬＥＤリ
ング照明などのリング状の第四光源２０ａからなり、小
さい傾斜角度で斜め上方からウエーハＷを照明して、正
常面での反射光は撮像カメラ４から外れた方向に反射さ
れるようになっている。また第四光源２０ａの照射光が
撮像カメラ４に入射しないように、第四光源２０ａの背
面に全周に亘って遮光用反射板２７が設けられている。
そのため、本実施の形態では、１種類の照明装置からな
る明視野照明系８と４種類の照明装置１２，１６，１
８、２０からなる暗視野照明系９とから適宜選択して、
または複数同時にウエーハＷを照明するようになってい
る。また、撮像カメラ４の高精細度撮像子６は、図１に
示すように欠陥検知の制御手段２１内の複数の画像メモ
リーを持つ欠陥検出回路２２に接続されていて、欠陥検
出回路２２では入力された各画像信号を基に例えば信号
パターンや各画像の相関処理等によりキズ、ゴミ、汚
れ、ピンホールなどのウエーハＷ上の各種の欠陥を検出
するようになっており、欠陥検出回路２２にはウエーハ
Ｗ上での欠陥の位置を特定する等の演算処理等を行うＣ
ＰＵ２３が接続され、このＣＰＵ２３には欠陥検出画像
を映し出すＣＲＴ２４や検査結果を出力するプリンタ２
５等が接続されている。

【００１３】本実施の形態による外観検査装置１は上述
のように構成されており、次にこれらの明暗視野照明系
を用いたウエーハＷの欠陥検査方法について説明する。
まず、ウエーハＷ上の平面的または凹凸の小さい欠陥で
ある汚れやピンホール等の有無を検査するには、図２に
示す明視野照明系８を用いてウエーハＷの外観検査が行
われる。明視野照明系８において、明視野光源１０の照
射光は白色板１１に照射され、白色板１１の反射面の微
細な凹凸のために散乱させられて、明視野光源１０のム
ラは解消され、均一な明るさになる。そのため、ウエー
ハＷ上に写った白色板の像には光源ムラは表れない。こ
れに加えて、本撮像光学系では焦点深度を浅くしてウエ
ーハＷの全面にピントが合うようにしたので、白色板の
像はピンぼけ状態となり、白色板１１の細かい肌荒れや
ゴミ等のムラが出ずに、焦点が合っているウエーハＷの
正常な鏡面が均一な明視野下で、全面にピントが合った
状態の画像を撮像できる。ウエーハＷの表面は、検査面
である鏡面の法線に対して白色板１１の反対側斜め方向
に配置された撮像カメラ４により、レンズ５を含む撮像
光学系を介して高精細度撮像子６上に結像させられる。
その際、レンズ５の長軸ａと平行にウエーハＷの鏡面と
高精細度撮像子６の結像面とが配設されているから、ウ
エーハＷの表面全体に焦点が合っており、同時に高精細
度撮像子６の結像面上にウエーハ全体が結像させられ
る。その際、撮像画面上に光源ムラ等が写されることも
ない。

【００１４】高精細度撮像子６で得られたウエーハＷ表
面の画像信号は制御手段２１内の複数の画像メモリーを
有する欠陥検出回路２２で画像信号処理等により欠陥が
検出される。明視野照明下の撮像画像では、ウエーハＷ
表面に欠陥などがない正常な鏡面の部分は入射光が正反
射して均一な照度を以て高精細度撮像子６で受光される
のに対して、汚れやピンホールなど凸部の小さい欠陥が
あると、この部分で正常反射しなくなり高精細度撮像子
６への入射光量が少なくなるため撮像画像上での明るさ
が小さく、図４に示すように欠陥部が暗い像として表
れ、欠陥として検出される。

【００１５】ウエーハＷの表面の汚れ、ピンホールなど
の欠陥は、明視野照明系下では高精細度撮像子６への入
光量の差によって比較的容易に検出できる。尚、図４に
示す撮像画像において、ｍ１は汚れ、ｍ２は指紋、ｍ３
はキズである。しかしながら、ゴミやキズなどのウエー
ハ表面から突出する凸部のある立体的な欠陥は、表面で
光が乱反射する際、その一部は撮像カメラ４に入射する
ために撮像画面上のコントラストが小さく、画像上で明
瞭な欠陥の像を得るのが比較的難しい。しかもキズやゴ
ミの大きさによって検出の度合いが相違するために明瞭
な検出は行われ難い。但し、正常部よりは暗く写るので
正常面ではない（何らかの異常部である）ことを検知す
る事は容易である。得られた各画像は、ウエーハＷの表
面上における欠陥の合成画像として、または個別の画像
毎にＣＲＴ２４で表示される。

【００１６】また、ウエーハＷ上のキズやゴミ等を明確
に検査するには、図３に示す暗視野照明系９を用いてウ
エーハＷの外観検査が行われる。暗視野照明系９におい
て、第一乃至第四照明系を選択的にまたは全部を用いて
照明する。例えば第一乃至第四照明光学系の全てを用い
る場合、投光型照明装置１２の第一光源１３からコンデ
ンサレンズ１５を介してほぼ真下のウエーハＷに照明光
を落射照明してウエーハＷを照射し、その反射光は撮像
カメラ４には入射せずに別の方向に放射される。また、
面照明装置１６においても、パネル型の第二光源１７か
らの照射光がほぼ真上からウエーハＷに照射され、更に
サイド照明装置１８でも第三光源１９によって斜め上方
からウエーハＷに照明光が照射され、第四光源２０によ
ってより小さい傾斜角度の照明光がウエーハＷに投光さ
れ、各反射光は撮像カメラ４から外れた対向する斜め上
方に反射する。

【００１７】このような暗視野照明下で、ウエーハＷの
表面は撮像カメラ４で撮像され、レンズ５を含む撮像光
学系を介して高精細度撮像子６にウエーハＷの像が結像
させられる。この時、撮像カメラ４ではウエーハＷの表
面全体に焦点が合っており、高精細度撮像子６の結像面
上に結像させられる。この場合、暗視野照明下で得られ
る撮像画像では、図５に示すように、ウエハＷ表面に欠
陥などがなく正常な鏡面の部分ではウエーハＷ上での反
射光は撮像カメラ４に入射されないために画像上では暗
黒となるが、このようなウエーハＷ上にキズ、ゴミなど
の欠陥があると、乱反射して一部の反射光が撮像カメラ
４に入射されるため、キズやゴミなどが明るい像として
識別できる。尚、図５において、ｎ１はキズである。特
にゴミやキズなどの欠陥が立体的であると暗視野照明下
で大きなＳ／Ｎ比を有する撮像画像として得られる。ピ
ンホール欠陥については、ピンホールの周囲に撮像カメ
ラ４に入射する反射面が部分的に表れている場合には、
その反射面での反射光を撮像カメラ４で受光して識別で
きるが、この暗視野照明での反射光が少ない場合には識
別が難しくなる。明視野照明で比較的明瞭に識別できる
平面的な欠陥である汚れや、凹凸の小さいピンホールな
どは暗視野照明では識別が比較的困難となる。

【００１８】暗視野照明下の撮像においては、指向性の
ある欠陥は一方向からの照明では検出しにくい場合があ
るので、回転テーブル３を回転させることでウエーハＷ
に対して照射光が異なる方向から照射され、これらの像
を撮像することでより確実に欠陥を検知することが出来
る。そして複数の画像メモリーを有する欠陥検出回路２
２で各画像の検出された欠陥とウエーハＷの回転位置と
の関係で、ＣＰＵ２３で検出された欠陥のウエーハＷ上
の位置を演算して検出でき、より確実に欠陥の位置や大
きさや種類等を検知できる。欠陥の検出された画像デー
タは、ＣＰＵ２３においてウエーハＷの表面上における
欠陥の合成画像として合成されて、または各画像毎に選
択的にＣＲＴ２４等で表示される。そして、明視野照明
下で得られた撮像画像と暗視野照明下で得られた撮像画
像とで総合的に検出された各種の欠陥を評価判定し、合
成してＣＲＴ２４上等でウエーハＷ上に表示することと
してもよい。また、暗視野照明に関しては、第一乃至第
四照明系のいずれか又は複数を選択的に用いて特定の欠
陥を検出することもできる。

【００１９】上述のように本実施の形態によれば、撮像
光学系のレンズ５及び高精細度撮像子６がウエーハＷの
鏡面（撮像面）とそれぞれ平行に位置して合焦位置に配
設されているから、ウエーハＷ全体に亘って鮮明な撮像
画像が得られる。しかも白色板１１を用いた明視野照明
系８でウエーハＷの表面である鏡面を明瞭に撮像でき、
その際にウエーハＷの鏡面にピントが合わされ、白色板
１１が写る鏡面では撮像画像に光源ムラ等が写ることが
なく特に汚れやピンホールなどの平面度の高い欠陥を識
別する画像を撮像することができる。また本実施の形態
による外観検査装置１によれば、照明光学系として明視
野照明系８と暗視野照明系９とを選択的に用いて撮像す
ることで、撮像画像から汚れやピンホールなどの平面的
な欠陥やゴミやキズ等の立体的な欠陥を良好に検出する
ことができる。

【００２０】尚、上述の実施の形態では、暗視野照明系
９として第一乃至第四照明光学系からなる４種が配設さ
れているが、これらの照明系の一部のみが備えられてい
てもよい。また、明視野照明系８に明視野光源１０の白
色板１１を用いたが、これに変わって均一な面発光体を
用いても良い。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る鏡面
体外観検査装置は、鏡面体の鏡面の法線に対して斜め方
向に位置する撮像レンズを有する撮像カメラによって鏡
面が撮像素子に結像されるように配置され、撮像レンズ
と鏡面と撮像素子が互いに平行に配設されていると共
に、鏡面の法線に対して撮像レンズと反対側に、鏡面に
映る明るい均一面が配置されてなるから、鏡面体の鏡面
について全体に合焦状態の画像データが得られ、光源の
像等が撮像画像に投影されずＳ／Ｎ比が良好で、鏡面体
の鏡面全体の画像データが鮮明に得られ、被検査体上に
欠陥がある場合には汚れやピンホール等の平面度の高い
欠陥は正常な鏡面部分とのコントラストが大きく明瞭に
検出できる。

【００２２】また、本発明による鏡面体外観検査装置
は、鏡面体が撮像レンズを有する撮像カメラによって撮
像素子に撮像されるように配置されていて、撮像レンズ
と鏡面体と撮像素子が互いに平行に配設されていると共
に、照明系として暗視野照明系と明視野照明系とが配設
されていて、暗視野照明系と明視野照明系のいずれかの
照明光を選択的に用いて撮像された照明の異なる複数の
画像から異常部を検出するようにしたから、明視野照明
系による撮像画像に加えて、暗視野照明系を用いて鏡面
体を種々の角度から照明した画像からゴミやキズ等の凸
部のある立体的な欠陥を明瞭に識別できるから、判別す
べき欠陥の種類等に応じて明視野照明系と暗視野照明系
との画像の相互関係を評価して、各種の欠陥の判別及び
判定が容易に行える。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態による鏡面体の外観検査装
置の要部構成図である。

【図２】 図１に示す外観検査装置の撮像光学系のう
ち、明視野照明による撮像光学系を示す要部構成図であ
る。

【図３】 図１に示す外観検査装置の撮像光学系のう
ち、暗視野照明による撮像光学系を示す要部構成図であ
る。

【図４】 明視野照明系の照明下で撮像したウエーハの
画像の部分平面図である。

【図５】 暗視野照明系の照明下で撮像したウエーハの
画像の部分平面図である。

【符号の説明】

１ 外観検査装置 ４ 撮像カメラ ５ レンズ（撮像レンズ） ６ 高精細度撮像子（撮像素子） ８ 明視野照明系 ９ 暗視野照明系 １１ 白色板（均一面） Ｗ 半導体ウエーハ（鏡面体）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鏡面体の鏡面の法線に対して斜め方向に
   位置する撮像レンズを有する撮像カメラによって前記鏡
   面が撮像素子に結像されるように配置され、前記撮像レ
   ンズと鏡面と撮像素子が互いに平行に配設されていると
   共に、前記鏡面の法線に対して撮像レンズと反対側に、
   前記鏡面に映る明るい均一面が配置されてなる鏡面体外
   観検査装置。
2. 【請求項２】 鏡面体が撮像レンズを有する撮像カメラ
   によって撮像素子に撮像されるように配置されていて、
   前記撮像レンズと鏡面体と撮像素子が互いに平行に配設
   されていると共に、照明系として暗視野照明系と明視野
   照明系とが配設されていて、暗視野照明系と明視野照明
   系のいずれかの照明光を選択的に用いて撮像された照明
   の異なる複数の画像から異常部を検出するようにしてな
   る鏡面体外観検査装置。